[go: up one dir, main page]

JP2021196553A - Image output device - Google Patents

Image output device Download PDF

Info

Publication number
JP2021196553A
JP2021196553A JP2020104562A JP2020104562A JP2021196553A JP 2021196553 A JP2021196553 A JP 2021196553A JP 2020104562 A JP2020104562 A JP 2020104562A JP 2020104562 A JP2020104562 A JP 2020104562A JP 2021196553 A JP2021196553 A JP 2021196553A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
layer
address
diffraction grating
back surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020104562A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7474126B2 (en
Inventor
和義 廣瀬
Kazuyoshi Hirose
剛孝 黒坂
Yoshitaka Kurosaka
優 瀧口
Masaru Takiguchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP2020104562A priority Critical patent/JP7474126B2/en
Priority to US17/347,633 priority patent/US12124215B2/en
Priority to CN202110667871.9A priority patent/CN113810671A/en
Publication of JP2021196553A publication Critical patent/JP2021196553A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7474126B2 publication Critical patent/JP7474126B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0402Recording geometries or arrangements
    • G03H1/041Optical element in the object space affecting the object beam, not otherwise provided for
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00Details of colour television systems
    • H04N9/12Picture reproducers
    • H04N9/31Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141Constructional details thereof
    • H04N9/315Modulator illumination systems
    • H04N9/3161Modulator illumination systems using laser light sources
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • G02F1/1354Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied having a particular photoconducting structure or material
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005Adaptation of holography to specific applications
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/26Processes or apparatus specially adapted to produce multiple sub- holograms or to obtain images from them, e.g. multicolour technique
    • G03H1/268Holographic stereogram
    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09FDISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F19/00Advertising or display means not otherwise provided for
    • G09F19/12Advertising or display means not otherwise provided for using special optical effects
    • G09F19/18Advertising or display means not otherwise provided for using special optical effects involving the use of optical projection means, e.g. projection of images on clouds
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • G02F1/1352Light-reflecting layers
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2294Addressing the hologram to an active spatial light modulator
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005Adaptation of holography to specific applications
    • G03H2001/0088Adaptation of holography to specific applications for video-holography, i.e. integrating hologram acquisition, transmission and display
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2225/00Active addressable light modulator
    • G03H2225/20Nature, e.g. e-beam addressed
    • G03H2225/25Optically addressed SLM [OA-SLM]
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30Image reproducers
    • H04N13/388Volumetric displays, i.e. systems where the image is built up from picture elements distributed through a volume
    • H04N13/393Volumetric displays, i.e. systems where the image is built up from picture elements distributed through a volume the volume being generated by a moving, e.g. vibrating or rotating, surface
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00Details of television systems
    • H04N5/74Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor
    • H04N5/7416Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor involving the use of a spatial light modulator, e.g. a light valve, controlled by a video signal
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00Details of colour television systems
    • H04N9/12Picture reproducers
    • H04N9/31Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Accounting & Taxation (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

To provide an image output device easy to enlarge a stereoscopic image.SOLUTION: An image output device 1A includes a high-speed projector 2A, a spatial light modulator 3, and an address light irradiation section 4A. The high-speed projector 2A has a principal surface 3a and a rear surface 3b, reflects light E1 emitted to the principal surface 3a, and modulates a phase of the light E1 for each of a plurality of pixels arranged two-dimensionally. The high-speed projector 2A irradiates the principal surface 3a with the light E1 including a two-dimensional optical image. The address light irradiation section 4A irradiates the rear surface 3b with address light E2 including a diffraction grating pattern. Each pixel of the spatial light modulator 3 changes a phase modulation amount according to the intensity of the address light E2 emitted from a side of the rear surface 3b of each pixel. The address light irradiation section 4A dynamically changes the orientation of the diffraction grating pattern on the rear surface 3b. The high-speed projector 2A irradiates the principal surface 3a with the two-dimensional optical image corresponding to the orientation of the diffraction grating pattern.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、画像出力装置に関する。 The present disclosure relates to an image output device.

非特許文献1は、画像を立体的に出力する装置を開示する。この装置は、高速(3600rpm)で回転するホログラフィックスクリーンと、高速プロジェクタとを備える。高速プロジェクタは、DMD(Digital Micromirror Device)を用いたDLP(Digital Light Processing)プロジェクタである。ホログラフィックスクリーンに対して高速プロジェクタから二次元光像を照射し、ホログラフィックスクリーンが高速で回転することによりその二次元光像を360°の全周方向へ偏向する。高速プロジェクタは、ホログラフィックスクリーンによる偏向方向に対応して二次元光像を変化させる。これにより、観察者に対して画像を立体的に見せることができる。 Non-Patent Document 1 discloses a device that outputs an image in three dimensions. The device comprises a holographic screen that rotates at high speed (3600 rpm) and a high speed projector. The high-speed projector is a DLP (Digital Light Processing) projector using a DMD (Digital Micromirror Device). A high-speed projector irradiates the holographic screen with a two-dimensional light image, and the holographic screen rotates at high speed to deflect the two-dimensional light image in the entire circumferential direction of 360 °. The high-speed projector changes the two-dimensional light image corresponding to the deflection direction of the holographic screen. This makes it possible to make the image appear three-dimensional to the observer.

非特許文献2は、光アドレス型の液晶型空間光変調器(PAL−SLM)に関する技術を開示する。この空間光変調器は、アドレス層及び液晶層を備える。アドレス層は、光導電体である水素化アモルファスシリコンを含む。液晶層はネマチック液晶を含む。SiO及びTiOの多層膜からなる誘電体ミラーにより、書き込み側と読み出し側とが光学的に分離されている。アドレス層を挟む一対の透明電極(ITO)間に数ボルトの交流電圧を印加して、アドレス層に画像(二次元情報)を書き込む。書き込み光が当たっていない領域では、水素化アモルファスシリコンのインピーダンスが液晶層のインピーダンスに比べて大きいので、液晶層には電圧がほとんど与えられない。一方、書き込み光が照射された部分では、水素化アモルファスシリコンのインピーダンスが下がり液晶層に与えられる電圧が上昇するので、液晶中における読み出し光の位相が変わる。このように、書き込み光情報に応じて読み出し光の位相を二次元的に変調することができる。 Non-Patent Document 2 discloses a technique relating to an optical address type liquid crystal spatial light modulator (PAL-SLM). This spatial light modulator includes an address layer and a liquid crystal layer. The address layer contains hydrogenated amorphous silicon which is a photoconductor. The liquid crystal layer contains a nematic liquid crystal. The write side and the read side are optically separated by a dielectric mirror made of a multilayer film of SiO 2 and TiO 2. An AC voltage of several volts is applied between a pair of transparent electrodes (ITOs) sandwiching the address layer to write an image (two-dimensional information) on the address layer. In the region not exposed to the write light, the impedance of the hydrogenated amorphous silicon is larger than the impedance of the liquid crystal layer, so that almost no voltage is applied to the liquid crystal layer. On the other hand, in the portion irradiated with the write light, the impedance of the hydrogenated amorphous silicon decreases and the voltage applied to the liquid crystal layer increases, so that the phase of the read light in the liquid crystal changes. In this way, the phase of the read light can be two-dimensionally modulated according to the write light information.

HideyoshiHorimai et al., “Full-Color 3D Display System with 360 Degree HorizontalViewing Angle”, The International Symposium of 3D and Contents 2010, pp. 7-10(2010)HideyoshiHorimai et al., “Full-Color 3D Display System with 360 Degree HorizontalViewing Angle”, The International Symposium of 3D and Contents 2010, pp. 7-10 (2010) 原勉、「液晶空間光変調素子の最近の展開」、光学、36巻3号、122−128頁、2007年Tsutomu Hara, "Recent Developments of Liquid Crystal Spatial Light Modulation Elements", Optics, Vol. 36, No. 3, pp. 122-128, 2007 Yoshitomo Isomae et al., “Alignment control of liquid crystals in a1.0-mm-pitch spatial light modulator by lattice-shaped dielectric wallstructure”, J. Soc. Inf. Display 27, pp. 251-258 (2019)Yoshitomo Isomae et al., “Alignment control of liquid crystals in a1.0-mm-pitch spatial light modulator by lattice-shaped dielectric wallstructure”, J. Soc. Inf. Display 27, pp. 251-258 (2019)

360°の全周方向へ各方向に対応する二次元光像を出力することにより画像を立体的に見せる装置として、非特許文献1に開示されたものがある。しかしながら、非特許文献1に開示された装置ではホログラフィックスクリーンを機械的に高速で回転させる必要があるので、ホログラフィックスクリーンを大型化することが難しい。故に、立体画像を大きくすることが困難であるという問題がある。そこで、本開示は、立体画像を大きくすることが容易な画像出力装置を提供することを目的とする。 Non-Patent Document 1 discloses a device that makes an image appear three-dimensional by outputting a two-dimensional optical image corresponding to each direction in the entire circumferential direction of 360 °. However, in the device disclosed in Non-Patent Document 1, it is difficult to increase the size of the holographic screen because it is necessary to mechanically rotate the holographic screen at high speed. Therefore, there is a problem that it is difficult to enlarge the stereoscopic image. Therefore, it is an object of the present disclosure to provide an image output device that makes it easy to enlarge a stereoscopic image.

一実施形態に係る画像出力装置は、主面および裏面を有し、主面に照射された光を反射するとともに、二次元状に配列された複数の画素毎に光の位相を変調する空間光変調器と、主面に対して二次元光像を照射する画像照射部と、裏面に対して回折格子パターンを含むアドレス光を照射するアドレス光照射部と、を備える。空間光変調器の各画素は、各画素の裏面側から照射されたアドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有する。アドレス光照射部は、裏面における回折格子パターンの向きを動的に変化させる。画像照射部は、回折格子パターンの向きに対応する二次元光像を主面に照射する。 The image output device according to one embodiment has a main surface and a back surface, reflects light radiated to the main surface, and spatial light that modulates the phase of light for each of a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner. It includes a modulator, an image irradiation unit that irradiates a two-dimensional light image on the main surface, and an address light irradiation unit that irradiates an address light including a diffraction grating pattern on the back surface. Each pixel of the spatial light modulator has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light emitted from the back surface side of each pixel. The address light irradiation unit dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface. The image irradiation unit irradiates the main surface with a two-dimensional light image corresponding to the direction of the diffraction grating pattern.

本開示によれば、立体画像を大きくすることが容易な画像出力装置を提供することが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to provide an image output device that makes it easy to enlarge a stereoscopic image.

第1実施形態に係る画像出力装置1Aの全体構成を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view schematically showing the whole structure of the image output device 1A which concerns on 1st Embodiment. 画像出力装置1Aの断面図である。It is sectional drawing of image output apparatus 1A. 空間光変調器3の断面図であって、主面3a及び裏面3bと交差する断面を示す。It is sectional drawing of the spatial light modulator 3, and shows the cross section which intersects with the main surface 3a and the back surface 3b. (a)部は、隔壁39aを部分的に拡大した平面図である。(b)部は、隔壁39aを部分的に拡大した斜視図であって、隔壁39a付近の構造を上下逆にして示している。Part (a) is a partially enlarged plan view of the partition wall 39a. Part (b) is a partially enlarged perspective view of the partition wall 39a, and shows the structure in the vicinity of the partition wall 39a upside down. (a)部〜(d)部は、空間光変調器3の作製方法における各工程を示す断面図である。Parts (a) to (d) are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the spatial light modulator 3. (a)部〜(d)部は、空間光変調器3の作製方法における各工程を示す断面図である。Parts (a) to (d) are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the spatial light modulator 3. 発光装置41を円環の軸方向から見た平面図である。FIG. 3 is a plan view of the light emitting device 41 as viewed from the axial direction of the annulus. 一つの発光部42の発光面42aを示す正面図である。It is a front view which shows the light emitting surface 42a of one light emitting part 42. 空間光変調器3の裏面3bにアドレス光E2を照射する様子を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state of irradiating the address light E2 on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. 空間光変調器3の裏面3bにアドレス光E2を照射する様子を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state of irradiating the address light E2 on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. 空間光変調器3の裏面3bにアドレス光E2を照射する様子を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state of irradiating the address light E2 on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. 空間光変調器3の裏面3bにアドレス光E2を照射する様子を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows the state of irradiating the address light E2 on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. 回折格子において、位相変調量が0(rad)である領域P1と、位相変調量がπ(rad)である領域P2とが周期的に交互に並ぶ場合を示す図である。In the diffraction grating, the area P 1 phase modulation amount is 0 (rad), and a region P 2 phase modulation amount is [pi (rad) is a diagram showing a case where periodically alternating. 波面B1とは逆向きに進む波面B2を示す図である。It is a figure which shows the wavefront B2 which travels in the direction opposite to the wavefront B1. 3個の領域P1〜P3により1つのユニットPUを構成し、複数のユニットPUのそれぞれにおいて、位相変調量が0(rad)である領域P1と、位相変調量が2π/3(rad)である領域P2と、位相変調量が4π/3(rad)である領域P3とをこの順で並べた様子を概略的に示す図である。 One unit PU is composed of three regions P 1 to P 3, and in each of the plurality of unit PUs, the region P 1 in which the phase modulation amount is 0 (rad) and the phase modulation amount are 2π / 3 (rad). ) and region P 2 is, how the phase modulation amount is arranged and the region P 3 is 4 [pi] / 3 (rad) in this order is a diagram schematically showing. 回折格子の周期Λを波長λで規格化したときの周期Λと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。(a)部は回折角θ=0°〜90°のグラフを示し、(b)部はそのうち回折角θ=5°〜30°の部分を拡大して示し、(c)部は回折角θ=30°〜90°の部分を拡大して示す。It is a graph which shows the relationship (where m = 1) of a period Λ and a diffraction angle θ when the period Λ of a diffraction grating is standardized by the wavelength λ. Part (a) shows a graph with a diffraction angle θ = 0 ° to 90 °, part (b) shows a magnified part of the diffraction angle θ = 5 ° to 30 °, and part (c) shows a diffraction angle θ. = The portion from 30 ° to 90 ° is enlarged and shown. ピッチLを波長λで規格化したときのピッチLと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。(a)部は回折角θ=0°〜70°のグラフを示し、(b)部はそのうちピッチL=0〜2λの部分を拡大して示す。It is a graph which shows the relationship (where m = 1) of the pitch L and the diffraction angle θ when the pitch L is standardized by the wavelength λ. Part (a) shows a graph with a diffraction angle θ = 0 ° to 70 °, and part (b) shows an enlarged portion of the pitch L = 0 to 2λ. 波長λ=532nmである場合における、ピッチLと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。(a)部は回折角θ=0°〜70°のグラフを示し、(b)部はそのうちピッチL=0nm〜1000nmの部分を拡大して示す。6 is a graph showing the relationship between pitch L and diffraction angle θ (where m = 1) when the wavelength λ = 532 nm. Part (a) shows a graph with a diffraction angle θ = 0 ° to 70 °, and part (b) shows an enlarged portion of the pitch L = 0 nm to 1000 nm. 図15に示した回折角θと各領域P1〜P3の位相変調量との関係をより詳細に示す図である。It is a figure which shows the relationship between the diffraction angle θ shown in FIG. 15 and the phase modulation amount of each region P 1 to P 3 in more detail. 領域P2から生じる或るタイミングでの波と、領域P1から生じるその1つ前のタイミングでの波とにより生成される波面B3を示す図である。It is a diagram showing the wave at a certain timing arising from the region P 2, the wavefront B3 generated by the waves at the preceding timing arising from the region P 1. (a)部は、一例として波長λが532nmである場合における、数式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。Part (a) is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the mathematical formula (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 532 nm as an example. Part (b) is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. 隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。It is a graph which plotted the correlation between the phase difference between adjacent regions and m value. 波長λ=532nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。When the wavelength λ = 532 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and further, the pitch L is substituted into the equation (5) to obtain the diffraction angle θ B. It is a chart which shows the result. (a)部は、波長λが467nmである場合における、数式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。Part (a) is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the mathematical formula (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 467 nm. Part (b) is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. 隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。It is a graph which plotted the correlation between the phase difference between adjacent regions and m value. 波長λ=467nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。When the wavelength λ = 467 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and further, the pitch L is substituted into the equation (5) to obtain the diffraction angle θ B. It is a chart which shows the result. (a)部は、波長λが630nmである場合における、数式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。Part (a) is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the mathematical formula (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 630 nm. Part (b) is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. 隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。It is a graph which plotted the correlation between the phase difference between adjacent regions and m value. 波長λ=630nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。When the wavelength λ = 630 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and further, the pitch L is substituted into the equation (5) to obtain the diffraction angle θ B. It is a chart which shows the result. (a)部は、検討結果に基づく好適な回折格子の例を示す図である。(b)部は、(a)部を部分的に拡大して示す図である。Part (a) is a diagram showing an example of a suitable diffraction grating based on the examination results. Part (b) is a partially enlarged view of part (a). 空間光変調器3における位相変調量とアドレス光E2の光強度との関係を概念的に示すグラフである。It is a graph which conceptually shows the relationship between the phase modulation amount in a spatial light modulator 3 and the light intensity of the address light E2. (a)部は、遮光膜(または遮光板)の遮光パターン80を示す図である。(b)部及び(c)部は、遮光領域81の平面形状の例を示す図である。(d)部は、遮光膜の一例を示す平面図である。Part (a) is a diagram showing a light-shielding pattern 80 of a light-shielding film (or a light-shielding plate). The part (b) and the part (c) are views showing an example of the planar shape of the light-shielding region 81. Part (d) is a plan view showing an example of a light-shielding film. (a)部及び(b)部は、回折格子を構成する各領域における位相変調量の決定方法を概念的に示す図である。The part (a) and the part (b) are diagrams conceptually showing a method of determining the amount of phase modulation in each region constituting the diffraction grating. (a)部及び(b)部は、回折格子を構成する各領域における位相変調量の決定方法を概念的に示す図である。The part (a) and the part (b) are diagrams conceptually showing a method of determining the amount of phase modulation in each region constituting the diffraction grating. (a)部及び(b)部は、第1変形例の構成を示す図である。Part (a) and part (b) are diagrams showing the configuration of the first modification. (a)部は、第2変形例として、アドレス光照射部4Bの構成を示す側断面図である。(b)部は、アドレス光照射部4Bが有する発光装置41及び光学部材44の平面図である。Part (a) is a side sectional view showing the configuration of the address light irradiation unit 4B as a second modification. (B) is a plan view of the light emitting device 41 and the optical member 44 included in the address light irradiation unit 4B. (a)部は、第3変形例として、アドレス光照射部4Cの構成を示す側断面図である。(b)部は、アドレス光照射部4Cが有する発光装置46の平面図である。(c)部は、(b)部のI−I線に沿った発光装置46の断面を示す図である。Part (a) is a side sectional view showing the configuration of the address light irradiation unit 4C as a third modification. Part (b) is a plan view of the light emitting device 46 included in the address light irradiation unit 4C. Part (c) is a diagram showing a cross section of the light emitting device 46 along the line I-I of part (b). (a)部は、第3変形例としての発光装置46の別の構成を示す平面図である。(b)部は、(a)部のII−II線に沿った断面図である。Part (a) is a plan view showing another configuration of the light emitting device 46 as a third modification. Part (b) is a cross-sectional view taken along the line II-II of part (a). 第4変形例として、アドレス光照射部4Dの構成を概略的に示す図である。As a fourth modification, it is a figure which shows roughly the structure of the address light irradiation part 4D. (a)部は、第5変形例として、アドレス光照射部4Eの構成を概略的に示す図である。(b)部は、発光装置49を円環の軸方向から見た平面図である。Part (a) is a diagram schematically showing the configuration of the address light irradiation unit 4E as a fifth modification. Part (b) is a plan view of the light emitting device 49 as viewed from the axial direction of the annulus. (a)部、(b)部および(c)部は、第5変形例の別の構成を概略的に示す図である。The part (a), the part (b) and the part (c) are diagrams schematically showing another configuration of the fifth modification. 第5変形例の別構成として、アドレス光照射部4Fの構成を概略的に示す図である。As another configuration of the fifth modification, it is a figure which shows roughly the structure of the address light irradiation part 4F. (a)部は、面発光レーザ素子アレイ50の構成を示す断面図である。(b)部は、位相変調層65Aを拡大して示す断面図である。Part (a) is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting laser element array 50. Part (b) is an enlarged cross-sectional view showing the phase modulation layer 65A. 位相変調層65Aの平面図である。It is a top view of the phase modulation layer 65A. XY平面内の異屈折率領域の重心Gの位置を示す図である。It is a figure which shows the position of the center of gravity G of the different refractive index region in the XY plane. 面発光レーザ素子アレイ50の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層65Aにおける回転角度分布φ(x,y)との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the optical image obtained by forming the output beam pattern of the surface emission laser element array 50, and the rotation angle distribution φ (x, y) in a phase modulation layer 65A. 球面座標(r,θrottilt)からXYZ直交座標系における座標(ξ,η,ζ)への座標変換を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the coordinate conversion from the spherical coordinate (r, θ rot , θ tilt ) to the coordinate (ξ, η, ζ) in the XYZ Cartesian coordinate system. (a)部及び(b)部は、各異屈折率領域65bの配置を決める際に、一般的な離散フーリエ変換(或いは高速フーリエ変換)を用いて計算する場合の留意点を説明するための図である。Parts (a) and (b) are for explaining points to be noted when calculating using a general discrete Fourier transform (or fast Fourier transform) when determining the arrangement of each different refractive index region 65b. It is a figure. 回転角度分布φ1(x,y)の一例を概念的に示す図である。It is a figure which conceptually shows an example of the rotation angle distribution φ 1 (x, y). S−iPMレーザが備える位相変調層の別の構成例を表す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing another configuration example of the phase modulation layer included in the S-iPM laser. 位相変調層65Bにおける異屈折率領域65bの位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the different refractive index region 65b in a phase modulation layer 65B. 空間光変調器の別の例として、反射型動的メタサーフェス(以下、単にメタサーフェスと称する)7Aの構成を示す平面図である。As another example of the spatial light modulator, it is a top view which shows the structure of the reflection type dynamic metasurface (hereinafter, simply referred to as a metasurface) 7A. 図52のIII−III線に沿った断面図であって、メタサーフェス7Aの断面構造を示す。FIG. 52 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 52, showing a cross-sectional structure of the metasurface 7A. メタサーフェスの別の構成として、メタサーフェス7Bを示す断面図である。As another configuration of the metasurface, it is sectional drawing which shows the metasurface 7B.

一実施形態に係る画像出力装置は、主面および裏面を有し、主面に照射された光を反射するとともに、二次元状に配列された複数の画素毎に光の位相を変調する空間光変調器と、主面に対して二次元光像を照射する画像照射部と、裏面に対して回折格子パターンを含むアドレス光を照射するアドレス光照射部と、を備える。空間光変調器の各画素は、各画素の裏面側に照射されたアドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有する。アドレス光照射部は、裏面における回折格子パターンの向きを動的に変化させる。画像照射部は、回折格子パターンの向きに対応する二次元光像を主面に照射する。 The image output device according to one embodiment has a main surface and a back surface, reflects light radiated to the main surface, and spatial light that modulates the phase of light for each of a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner. It includes a modulator, an image irradiation unit that irradiates a two-dimensional light image on the main surface, and an address light irradiation unit that irradiates an address light including a diffraction grating pattern on the back surface. Each pixel of the spatial light modulator has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light applied to the back surface side of each pixel. The address light irradiation unit dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface. The image irradiation unit irradiates the main surface with a two-dimensional light image corresponding to the direction of the diffraction grating pattern.

この画像出力装置では、アドレス光照射部が、空間光変調器の裏面に対して、回折格子パターンを含むアドレス光を照射する。空間光変調器の各画素は、各画素の裏面側に照射されたアドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有するので、空間光変調器は、回折格子パターンに応じた位相パターンを、主面に入射した光に与える。従って、画像照射部から主面に対して照射された二次元光像は、回折格子パターンの向きに応じた方向に偏向される。更に、裏面における回折格子パターンの向きをアドレス光照射部が動的に変化させるので、二次元光像の偏向方向も動的に変化することとなる。そして、回折格子パターンの所望の向きに対応する二次元光像を画像照射部が主面に照射することができるので、観察者に対して立体的な画像を提示することが可能になる。加えて、この画像出力装置によれば、回折格子パターンを含むアドレス光を動的に変化させることにより立体画像を出力するので、光偏向要素である空間光変調器を静止させたまま立体画像を出力することが可能になる。従って、ホログラフィックスクリーンを機械的に高速で回転させる非特許文献1に開示された装置と比較して、空間光変調器のサイズを大型化して立体画像を大きくすることが容易にできる。 In this image output device, the address light irradiation unit irradiates the back surface of the spatial light modulator with address light including a diffraction grating pattern. Since each pixel of the spatial light modulator has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light applied to the back surface side of each pixel, the spatial light modulator has a phase pattern according to the diffraction grating pattern. Is given to the light incident on the main surface. Therefore, the two-dimensional light image irradiated from the image irradiation unit to the main surface is deflected in the direction corresponding to the direction of the diffraction grating pattern. Further, since the address light irradiation unit dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface, the deflection direction of the two-dimensional light image also dynamically changes. Then, since the image irradiation unit can irradiate the main surface with a two-dimensional light image corresponding to a desired direction of the diffraction grating pattern, it becomes possible to present a three-dimensional image to the observer. In addition, according to this image output device, a stereoscopic image is output by dynamically changing the address light including the diffraction grating pattern, so that the stereoscopic image can be produced while the spatial light modulator, which is an optical deflection element, is stationary. It becomes possible to output. Therefore, it is possible to easily increase the size of the spatial light modulator and enlarge the stereoscopic image as compared with the apparatus disclosed in Non-Patent Document 1 in which the holographic screen is mechanically rotated at high speed.

上記の画像出力装置において、アドレス光照射部は、上記裏面において回折格子パターンを回転させてもよい。この場合、360°の全周方向に対して立体的な画像を提示することが可能になる。 In the image output device, the address light irradiation unit may rotate the diffraction grating pattern on the back surface. In this case, it is possible to present a three-dimensional image in the entire circumferential direction of 360 °.

上記の画像出力装置において、空間光変調器は、主面と裏面との間に位置する光反射層と、光反射層と主面との間に位置する液晶層と、液晶層と主面との間に位置する光透過性の第1電極層と、光反射層と裏面との間に位置し、アドレス光の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層と、インピーダンス変化層と裏面との間に位置する光透過性の第2電極層と、を有し、液晶層は、液晶を画素毎に区画する隔壁を有してもよい。アドレス光が空間光変調器の裏面に照射されると、インピーダンス変化層のインピーダンス分布は、アドレス光の強度分布に応じた分布となる。第1電極層と第2電極層との間に電圧が印加された場合、インピーダンス変化層のインピーダンスが小さい画素では、液晶層に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層のインピーダンスが大きい画素では、液晶層に弱い電界が印加されるか、もしくは電界が全く印加されない。従って、この画像出力装置によれば、空間光変調器の各画素において、各画素の裏面側に照射されたアドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を実現することができる。更に、液晶を画素毎に区画する隔壁を液晶層が有することによって、画素間の液晶の相互作用を低減でき、回折格子パターンに応じた位相パターンをより明瞭にすることができる。 In the above image output device, the spatial light modulator includes a light reflecting layer located between the main surface and the back surface, a liquid crystal layer located between the light reflecting layer and the main surface, and a liquid crystal layer and the main surface. A light-transmitting first electrode layer located between the light-transmitting layers, an impedance-changing layer located between the light-reflecting layer and the back surface, and an impedance-changing layer that develops an impedance distribution according to the intensity distribution of address light, and an impedance-changing layer. It has a light-transmitting second electrode layer located between the back surface and the liquid crystal layer, and may have a partition wall for partitioning the liquid crystal for each pixel. When the address light is applied to the back surface of the spatial light modulator, the impedance distribution of the impedance changing layer becomes a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light. When a voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer, a strong electric field is applied to the liquid crystal layer in a pixel having a small impedance of the impedance changing layer. Further, in a pixel having a large impedance of the impedance changing layer, a weak electric field is applied to the liquid crystal layer, or no electric field is applied at all. Therefore, according to this image output device, it is possible to realize a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light radiated to the back surface side of each pixel in each pixel of the spatial light modulator. Further, by having the liquid crystal layer having a partition wall for partitioning the liquid crystal for each pixel, the interaction of the liquid crystal between the pixels can be reduced, and the phase pattern corresponding to the diffraction grating pattern can be made clearer.

上記の画像出力装置において、隔壁は、主面に沿った第1方向と、主面に沿っており第1方向と直交する第2方向とに延在し、第2方向に延在する隔壁同士のピッチは、第1方向に延在する隔壁同士のピッチより大きくてもよい。この場合、液晶の向きが揃い易いので、特定の偏光方向に対する液晶の光透過/非透過特性を効果的に発揮させることができる。 In the above image output device, the partition walls extend in the first direction along the main surface and in the second direction along the main surface and orthogonal to the first direction, and the partition walls extend in the second direction. The pitch of may be larger than the pitch of the partition walls extending in the first direction. In this case, since the directions of the liquid crystals are easily aligned, the light transmission / non-transmission characteristics of the liquid crystal with respect to a specific polarization direction can be effectively exhibited.

上記の画像出力装置において、第2方向に延在する隔壁同士のピッチは、第1方向に延在する隔壁同士のピッチの2倍以上であってもよい。発明者の知見によれば、この場合、液晶の向きが特に揃い易いので、特定の偏光方向に対する液晶の光透過/非透過特性をより効果的に発揮させることができる。 In the above image output device, the pitch between the partition walls extending in the second direction may be twice or more the pitch between the partition walls extending in the first direction. According to the inventor's knowledge, in this case, since the directions of the liquid crystals are particularly easy to be aligned, the light transmission / non-transmission characteristics of the liquid crystal with respect to a specific polarization direction can be more effectively exhibited.

上記の画像出力装置において、隔壁は、主面に沿った第1方向と、主面に沿っており第1方向と直交する第2方向とに延在し、第1方向に延在する隔壁同士のピッチ、及び第2方向に延在する隔壁同士のピッチは何れも5μm以下であってもよい。このように小さな間隔で隔壁を構成することにより、空間光変調器の画素サイズを小さくすることができ、ひいては回折格子の周期を短くすることができる。従って、空間光変調器による二次元光像の回折角を大きくして、立体画像の出力方向を空間光変調器の主面を含む平面に近づけることができるので、広い角度範囲で三次元像を観察でき、空間光変調器の周囲に存在する観察者に対して実用的な立体画像を提供することができる。 In the above image output device, the partition walls extend in the first direction along the main surface and in the second direction along the main surface and orthogonal to the first direction, and the partition walls extend in the first direction. And the pitch between the partition walls extending in the second direction may be 5 μm or less. By constructing the partition walls at such small intervals, the pixel size of the spatial light modulator can be reduced, and the period of the diffraction grating can be shortened. Therefore, the diffraction angle of the two-dimensional light image by the spatial light modulator can be increased so that the output direction of the stereoscopic image can be brought closer to the plane including the main surface of the spatial light modulator, so that the three-dimensional image can be obtained in a wide angle range. It can be observed and can provide a practical stereoscopic image to an observer existing around the spatial light modulator.

上記の画像出力装置において、インピーダンス変化層は、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物のうち少なくとも1つを含んでもよい。これらの物質のインピーダンスは、光を受けると変化する。従って、この場合、アドレス光の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層を好適に実現することができる。 In the above image output device, the impedance changing layer may include at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound, an InP-based compound, and a GaAs-based compound. The impedance of these substances changes when exposed to light. Therefore, in this case, it is possible to preferably realize an impedance changing layer that expresses an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light.

上記の画像出力装置において、空間光変調器は、透明導電層及び誘電体層を有し、一方の面に二次元光像が入力される積層構造体と、積層構造体の一方の面に設けられた第1金属膜と、一方の面と対向する積層構造体の他方の面に設けられ、積層構造体に入力された二次元光像を一方の面に向けて反射する第2金属膜と、積層構造体との間に第2金属膜を挟む位置に設けられ、アドレス光の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層と、第2金属膜との間にインピーダンス変化層を挟む位置に設けられた光透過性の電極層と、を備えてもよい。そして、複数の画素それぞれにおいて、積層構造体は、積層方向から見て第1金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ第1金属膜から露出する一対の部分を含み、第1金属膜及び第2金属膜は、画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含んでもよい。 In the above image output device, the spatial light modulator has a transparent conductive layer and a dielectric layer, and is provided on one surface of the laminated structure and a laminated structure in which a two-dimensional optical image is input to one surface. A first metal film formed and a second metal film provided on the other surface of the laminated structure facing one surface and reflecting a two-dimensional optical image input to the laminated structure toward one surface. , An impedance changing layer provided at a position sandwiching the second metal film between the laminated structure and expressing an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light, and an impedance changing layer between the second metal film. A light-transmitting electrode layer provided at a sandwiching position may be provided. Then, in each of the plurality of pixels, the laminated structure includes a pair of portions provided at a pair of positions sandwiching the first metal film when viewed from the stacking direction and exposed from the first metal film, and includes the first metal film and the first metal film. The two metal films may include a plurality of partially metal films provided for each pixel and separated from each other.

アドレス光が空間光変調器の裏面に照射されると、インピーダンス変化層のインピーダンス分布は、アドレス光の強度分布に応じた分布となる。第1金属膜と電極層との間に電圧が印加された場合、インピーダンス変化層のインピーダンスが小さい画素では、第1金属膜と第2金属膜との間に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層のインピーダンスが大きい画素では、第1金属膜と第2金属膜との間に弱い電界が印加されるか、もしくは電界が全く印加されない。また、この画像出力装置において、積層構造体は一対の部分を含む。該一対の部分は、積層方向から見て第1金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ、第1金属膜から露出する。該一対の部分のうち一方に入力された光は、第1金属膜と第2金属膜との間を導波し、該一対の部分のうちの他方から外部へ出力される。第1金属膜の幅および積層構造体の厚さが光の波長よりも十分に小さい場合、第1金属膜と第2金属膜との間に電界が印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流が第1金属膜及び第2金属膜のそれぞれに生じ、積層構造体内に強い磁気共鳴(プラズモン共鳴)が生じる。この磁気共鳴を利用することで、第1金属膜と第2金属膜との間を通過する光の位相を変調することが出来る。ここで、第1金属膜と第2金属膜との間に電界が印加されると、積層構造体に含まれる透明導電層の誘電体層との界面付近の電子密度が高まる。その結果、透明導電層の該界面付近の部分が実効的に金属化して、積層構造体の実効屈折率が大きく変化する。上述した位相変調における変調量は積層構造体の実効屈折率に依存するので、第1金属膜と第2金属膜との間の電界を変化させることにより、実効屈折率を制御し、ひいては出力光の位相を制御することができる。従って、この画像出力装置によれば、空間光変調器の各画素において、各画素の裏面側に照射されたアドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を実現することができる。 When the address light is applied to the back surface of the spatial light modulator, the impedance distribution of the impedance changing layer becomes a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light. When a voltage is applied between the first metal film and the electrode layer, a strong electric field is applied between the first metal film and the second metal film in a pixel having a small impedance of the impedance changing layer. Further, in a pixel having a large impedance of the impedance changing layer, a weak electric field is applied between the first metal film and the second metal film, or no electric field is applied at all. Further, in this image output device, the laminated structure includes a pair of portions. The pair of portions are provided at a pair of positions sandwiching the first metal film when viewed from the stacking direction, and are exposed from the first metal film. The light input to one of the pair of portions is guided between the first metal film and the second metal film, and is output from the other of the pair of portions to the outside. If the width of the first metal film and the thickness of the laminated structure are sufficiently smaller than the wavelength of light, when an electric field is applied between the first metal film and the second metal film, a gap surface plasmon will occur. Induced currents in opposite directions called modes are generated in each of the first metal film and the second metal film, and strong magnetic resonance (plasmon resonance) is generated in the laminated structure. By utilizing this magnetic resonance, the phase of light passing between the first metal film and the second metal film can be modulated. Here, when an electric field is applied between the first metal film and the second metal film, the electron density near the interface between the transparent conductive layer contained in the laminated structure and the dielectric layer increases. As a result, the portion of the transparent conductive layer near the interface is effectively metallized, and the effective refractive index of the laminated structure changes significantly. Since the amount of modulation in the above-mentioned phase modulation depends on the effective refractive index of the laminated structure, the effective refractive index is controlled by changing the electric field between the first metal film and the second metal film, and thus the output light. Phase can be controlled. Therefore, according to this image output device, it is possible to realize a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light radiated to the back surface side of each pixel in each pixel of the spatial light modulator.

上記の画像出力装置において、アドレス光照射部は、回折格子パターンを含むアドレス光を出力する発光部と、発光部の光軸周りの姿勢角を動的に変化させる駆動部と、を有してもよい。この場合、裏面における回折格子パターンの向きを動的に変化させるアドレス光照射部を好適に実現することができる。 In the above image output device, the address light irradiation unit includes a light emitting unit that outputs address light including a diffraction grating pattern, and a driving unit that dynamically changes the posture angle around the optical axis of the light emitting unit. It is also good. In this case, it is possible to preferably realize an address light irradiation unit that dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface.

上記の画像出力装置において、アドレス光照射部は、円周に沿って並んで配列され、回折格子パターンを含むアドレス光をそれぞれ出力可能な複数の発光部と、複数の発光部と裏面とを光学的に結合する光学系と、を有し、複数の発光部の中から選択された、回折格子パターンの向きに対応する一部の発光部からのアドレス光を裏面に入力してもよい。また、この場合、光学系がメタレンズを含むことにより、大面積且つ薄型の光学系を実現でき、比較的大きな広がりを有するアドレス光を空間光変調器の裏面に照射することができる。 In the above image output device, the address light irradiation units are arranged side by side along the circumference, and optical a plurality of light emitting units capable of outputting address light including a diffraction grating pattern, and a plurality of light emitting units and the back surface thereof. You may input the address light from a part of the light emitting part corresponding to the direction of the diffraction grating pattern selected from a plurality of light emitting parts with the optical system to be coupled to the back surface. Further, in this case, since the optical system includes a metal lens, it is possible to realize a large-area and thin optical system, and it is possible to irradiate the back surface of the spatial light modulator with address light having a relatively large spread.

上記の画像出力装置において、アドレス光照射部は、円周に沿って設けられ、円周の径方向を周期方向とする回折格子パターンを含むアドレス光を出力する発光部を有し、発光部は、円周の周方向に並んで配置され、回折格子パターンの向きに対応する部分においてアドレス光を選択的に発光させる複数の要素電極を含んでもよい。この場合、裏面における回折格子パターンの向きを動的に変化させるアドレス光照射部を好適に実現することができる。 In the above image output device, the address light irradiation unit is provided along the circumference and has a light emitting unit that outputs address light including a diffraction grating pattern whose periodic direction is the radial direction of the circumference. , A plurality of element electrodes arranged side by side in the circumferential direction of the circumference and selectively emitting address light in a portion corresponding to the direction of the diffraction grating pattern may be included. In this case, it is possible to preferably realize an address light irradiation unit that dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface.

上記の画像出力装置において、発光部は、回折格子パターンに基づいて配列された複数の発光領域を含んでもよい。或いは、発光部は、活性層及び位相変調層を有する面発光レーザ素子を含み、位相変調層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり位相変調層の厚み方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、位相変調層の面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、格子点周りの回転角度が各異屈折率領域毎に個別に設定されているか、または、複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点を通り正方格子に対して傾斜する直線上に配置されるとともに、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定されてもよい。これらのうち何れかによって、回折格子パターンを含むアドレス光を出力する発光部を好適に実現することができる。 In the above image output device, the light emitting unit may include a plurality of light emitting regions arranged based on the diffraction grating pattern. Alternatively, the light emitting unit includes a surface emitting laser element having an active layer and a phase modulation layer, and the phase modulation layer has a refractive index different from that of the basic layer and is perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer. When a virtual square grid is set in the plane of the phase modulation layer, which includes a plurality of different refractive index regions distributed in a two-dimensional manner, the center of gravity of the plurality of different refractive index regions is the virtual square grid. It is arranged away from the grid points, and the rotation angle around the grid points is set individually for each different refractive index region, or the center of gravity of multiple different refractive index regions is a virtual square grid grid. It may be arranged on a straight line that passes through the points and is inclined with respect to the square grid, and the distance between the center of gravity of each different refractive index region and the corresponding grid points may be set individually for each different refractive index region. With any of these, a light emitting unit that outputs address light including a diffraction grating pattern can be suitably realized.

上記の画像出力装置において、発光部は、活性層及びフォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子と、フォトニック結晶面発光レーザ素子の光出射面上に設けられ、回折格子パターンに応じて開口部及び遮光部を周期的に繰り返す周期構造と、を有してもよい。この場合、回折格子パターンを含むアドレス光を出力する発光部を好適に実現することができる。 In the above image output device, the light emitting unit is provided on the light emitting surface of the photonic crystal surface emitting laser element having the active layer and the photonic crystal layer and the light emitting surface of the photonic crystal surface emitting laser element, and corresponds to the diffraction grating pattern. It may have a periodic structure in which the opening and the light-shielding portion are periodically repeated. In this case, a light emitting unit that outputs address light including a diffraction grating pattern can be preferably realized.

上記の画像出力装置において、アドレス光照射部は、レーザ光源と、レーザ光源から出力されたレーザ光を分岐する分岐部と、分岐部により分岐された一方のレーザ光と他方のレーザ光とを干渉させて干渉縞を生成する干渉光学系と、を有し、干渉光学系は、一方のレーザ光と他方のレーザ光との干渉時の相対位置関係を動的に変化させる位置変化部を含み、干渉縞が回折格子パターンとして用いられてもよい。干渉縞は、回折格子パターンとして用いられ得る。また、一方のレーザ光と他方のレーザ光との干渉時の相対位置関係を動的に変化させることにより、干渉縞の向き、すなわち回折格子パターンの向きを動的に変化させることができる。従って、この場合、アドレス光照射部を好適に実現することができる。 In the above image output device, the address light irradiation unit interferes with the laser light source, the branch portion that branches the laser light output from the laser light source, and one laser light branched by the branch portion and the other laser light. It has an interference optical system that causes interference fringes to be generated, and the interference optical system includes a position change portion that dynamically changes the relative positional relationship at the time of interference between one laser beam and the other laser beam. The interference fringes may be used as a diffraction grid pattern. The interference fringes can be used as a diffraction grating pattern. Further, by dynamically changing the relative positional relationship between one laser beam and the other laser beam at the time of interference, the direction of the interference fringes, that is, the direction of the diffraction grating pattern can be dynamically changed. Therefore, in this case, the address light irradiation unit can be suitably realized.

上記の画像出力装置において、回折格子パターンは、光強度が或る方向に周期的に変化する構成を有し、各周期内において光強度は段階的に且つ単調に強くなるか或いは弱くなり、各周期内における光強度が互いに異なる領域の数は3以上であってもよい。この場合、二次元光像の所望の偏向方向とは逆方向への偏向を低減し、立体画像をより明瞭に出力することかできる。 In the above image output device, the diffraction grating pattern has a configuration in which the light intensity changes periodically in a certain direction, and the light intensity gradually and monotonically increases or decreases in each period. The number of regions in which the light intensities differ from each other in the cycle may be 3 or more. In this case, it is possible to reduce the deflection of the two-dimensional optical image in the direction opposite to the desired deflection direction and output the stereoscopic image more clearly.

上記の画像出力装置において、画像照射部と空間光変調器との間に配置され、二次元光像に含まれる、可視光を除く他の波長成分のうち少なくとも一部の波長成分の強度を低減するフィルタを更に備えてもよい。これにより、画像照射部からの二次元光像の光が空間光変調器の位相変調量に影響する度合いを低減できる。 In the above image output device, it is arranged between the image irradiation unit and the spatial light modulator, and reduces the intensity of at least a part of the wavelength components other than visible light contained in the two-dimensional light image. Further filters may be provided. As a result, the degree to which the light of the two-dimensional light image from the image irradiation unit affects the phase modulation amount of the spatial light modulator can be reduced.

以下、本開示の画像出力装置の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明において光透過性を有するとは、透過対象である波長の光を50パーセント以上透過することをいう。 Hereinafter, specific examples of the image output device of the present disclosure will be described with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. In the following description, the same elements will be designated by the same reference numerals in the description of the drawings, and duplicate description will be omitted. In the following description, having light transmission means transmitting light having a wavelength to be transmitted by 50% or more.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る画像出力装置1Aの全体構成を概略的に示す斜視図である。図2は、画像出力装置1Aの断面図である。この画像出力装置1Aは、画像出力装置1Aの側方に居る観察者Aに対して、立体的な(三次元の)画像を擬似的に示す装置である。図1及び図2に示すように、画像出力装置1Aは、高速プロジェクタ2Aと、空間光変調器3と、アドレス光照射部4Aとを備える。空間光変調器3は、主面(上面)3a、及び主面3aの反対側に位置する裏面(下面)3bを有する板状の装置である。主面3a及び裏面3bは平坦且つ互いに平行であり、一例では、それらの法線方向は鉛直方向に沿っている。高速プロジェクタ2Aは、主面3aと対向して空間光変調器3の上方に配置されている。アドレス光照射部4Aは、裏面3bと対向して空間光変調器3の下方に配置されている。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the overall configuration of the image output device 1A according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the image output device 1A. The image output device 1A is a device that simulates a three-dimensional (three-dimensional) image to the observer A on the side of the image output device 1A. As shown in FIGS. 1 and 2, the image output device 1A includes a high-speed projector 2A, a spatial light modulator 3, and an address light irradiation unit 4A. The spatial light modulator 3 is a plate-shaped device having a main surface (upper surface) 3a and a back surface (lower surface) 3b located on the opposite side of the main surface 3a. The main surface 3a and the back surface 3b are flat and parallel to each other, and in one example, their normal directions are along the vertical direction. The high-speed projector 2A is arranged above the spatial light modulator 3 so as to face the main surface 3a. The address light irradiation unit 4A is arranged below the spatial light modulator 3 so as to face the back surface 3b.

高速プロジェクタ2Aは、本実施形態における画像照射部の例であり、空間光変調器3の主面3aに対して二次元光像を含む光E1を照射する。主面3aに対する光E1の入射方向は、主面3aの法線方向と一致する。高速プロジェクタ2Aは、単一波長の光E1を出力してもよく、複数の波長成分を含む光E1を出力してもよい。光E1の単一または複数の波長成分は、可視光域に含まれる。一例では、複数の波長成分は緑色成分、青色成分、及び赤色成分である。高速プロジェクタ2Aは、例えばDMD(Digital Micromirror Device)を用いたDLP(Digital Light Processing)プロジェクタによって好適に構成され得る。高速プロジェクタ2Aのフレームレートは、例えば毎秒1kフレーム以上であり、また毎秒100kフレーム以下である。このフレームレートは、後述するアドレス光照射部4Aから出力される回折格子パターンの回転速度に応じて好適な値に設定されるとよい。 The high-speed projector 2A is an example of the image irradiation unit in the present embodiment, and irradiates the main surface 3a of the spatial light modulator 3 with light E1 including a two-dimensional light image. The incident direction of the light E1 with respect to the main surface 3a coincides with the normal direction of the main surface 3a. The high-speed projector 2A may output light E1 having a single wavelength, or may output light E1 containing a plurality of wavelength components. The single or multiple wavelength components of light E1 are included in the visible light region. In one example, the plurality of wavelength components are a green component, a blue component, and a red component. The high-speed projector 2A can be suitably configured by, for example, a DLP (Digital Light Processing) projector using a DMD (Digital Micromirror Device). The frame rate of the high-speed projector 2A is, for example, 1 k frames or more per second and 100 k frames or less per second. This frame rate may be set to a suitable value according to the rotation speed of the diffraction grating pattern output from the address light irradiation unit 4A described later.

図2に示すように、高速プロジェクタ2Aと空間光変調器3との間の光路上には、フィルタ15及びレンズ16が並んで設けられている。フィルタ15は、波長フィルタであって、光E1に含まれる、可視光を除く他の波長成分のうち少なくとも一部の波長成分の強度を低減(もしくは除去)する。一例では、フィルタ15は、光E1に含まれる、可視光を除く他の全ての波長成分の強度を低減(もしくは除去)するバンドパスフィルタである。なお、フィルタ15は、光E1に含まれる波長成分を含む任意の波長域を除く他の波長域に対して低減(もしくは除去)作用を有してもよい。この場合、他の波長域に可視域が含まれてもよい。レンズ16は、光E1の像を観察者Aの眼Aaの網膜に結像する結像レンズである。なお、図示例では高速プロジェクタ2Aとレンズ16との間にフィルタ15が配置されているが、高速プロジェクタ2Aとフィルタ15との間にレンズ16が配置されてもよい。 As shown in FIG. 2, a filter 15 and a lens 16 are provided side by side on the optical path between the high-speed projector 2A and the spatial light modulator 3. The filter 15 is a wavelength filter that reduces (or removes) the intensity of at least a part of the wavelength components other than visible light contained in the light E1. In one example, the filter 15 is a bandpass filter that reduces (or removes) the intensity of all other wavelength components contained in the light E1 except visible light. The filter 15 may have a reducing (or removing) action on other wavelength ranges excluding an arbitrary wavelength range including a wavelength component contained in the light E1. In this case, the visible region may be included in other wavelength regions. The lens 16 is an imaging lens that forms an image of light E1 on the retina of the eye Aa of the observer A. In the illustrated example, the filter 15 is arranged between the high-speed projector 2A and the lens 16, but the lens 16 may be arranged between the high-speed projector 2A and the filter 15.

空間光変調器3は、主面3aに照射された二次元光像を含む光E1を反射するとともに、二次元状に配列された複数の画素毎に光E1の位相を変調する。空間光変調器3の各画素は、裏面3b側から照射されたアドレス光E2の各画素毎の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有する。図3は、空間光変調器3の断面図であって、主面3a及び裏面3bと交差する断面を示す。図3に示すように、空間光変調器3は、透明基板31、透明電極層32、インピーダンス変化層33、誘電体ミラー34、液晶配向膜35、液晶層36、透明電極層37、及び透明基板38を有する。 The spatial light modulator 3 reflects the light E1 including the two-dimensional light image irradiated on the main surface 3a, and modulates the phase of the light E1 for each of a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner. Each pixel of the spatial light modulator 3 has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of each pixel of the address light E2 irradiated from the back surface 3b side. FIG. 3 is a cross-sectional view of the spatial light modulator 3, showing a cross section intersecting the main surface 3a and the back surface 3b. As shown in FIG. 3, the spatial light modulator 3 includes a transparent substrate 31, a transparent electrode layer 32, an impedance change layer 33, a dielectric mirror 34, a liquid crystal alignment film 35, a liquid crystal layer 36, a transparent electrode layer 37, and a transparent substrate. Has 38.

透明基板31は、光透過性を有する板状の部材である。ここでいう光透過性とは、後述するアドレス光E2(図2を参照)を透過する性質をいう。一例では、透明基板31はガラス基板である。透明基板31は、互いに平行且つ反対方向を向く主面31a及び裏面31bを含む。主面31a及び裏面31bは、平坦且つ滑面である。裏面31bは、空間光変調器3の裏面3bと一致する。透明基板31の厚みは、例えば20μm以上1mm以下である。 The transparent substrate 31 is a plate-shaped member having light transmission. The term "light transmission" as used herein means a property of transmitting address light E2 (see FIG. 2), which will be described later. In one example, the transparent substrate 31 is a glass substrate. The transparent substrate 31 includes a main surface 31a and a back surface 31b that are parallel to each other and face in opposite directions. The main surface 31a and the back surface 31b are flat and smooth. The back surface 31b coincides with the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The thickness of the transparent substrate 31 is, for example, 20 μm or more and 1 mm or less.

透明電極層32は、本実施形態における第2電極層の例であって、インピーダンス変化層33と裏面3bとの間に位置する。図示例では、透明電極層32は透明基板31の主面31aと接している。透明電極層32は、透明基板31と同様に光透過性を有する。すなわち、透明電極層32は、後述するアドレス光E2(図2を参照)を透過する。透明電極層32の構成材料は、例えば酸化インジウムスズ(Indium Tin Oxide:ITO)、酸化亜鉛系の導電材料(アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO))のうち少なくとも1つを含む。透明電極層32の厚みは、例えば1nm以上1μm以下である。透明電極層32は、画素毎に分割され、各画素の透明電極層32は空隙(スリット)GAを挟んで互いに分離している。 The transparent electrode layer 32 is an example of the second electrode layer in the present embodiment, and is located between the impedance changing layer 33 and the back surface 3b. In the illustrated example, the transparent electrode layer 32 is in contact with the main surface 31a of the transparent substrate 31. The transparent electrode layer 32 has light transmission like the transparent substrate 31. That is, the transparent electrode layer 32 transmits the address light E2 (see FIG. 2) described later. The constituent material of the transparent electrode layer 32 is, for example, at least one of indium tin oxide (ITO) and zinc oxide-based conductive material (aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (GZO)). include. The thickness of the transparent electrode layer 32 is, for example, 1 nm or more and 1 μm or less. The transparent electrode layer 32 is divided for each pixel, and the transparent electrode layer 32 of each pixel is separated from each other with a gap (slit) GA interposed therebetween.

インピーダンス変化層33は、誘電体ミラー34と裏面3bとの間に位置する半導体層である。図示例では、インピーダンス変化層33は誘電体ミラー34と透明電極層32との間に位置している。インピーダンス変化層33は、アドレス光E2(図2を参照)の強度分布に応じて、インピーダンスの分布を発現する。具体的には、インピーダンス変化層33を構成する材料のインピーダンスは、光を受けるとその光強度に応じて単調に変化する。そのような材料としては、例えば水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物が挙げられる。従って、本実施形態のインピーダンス変化層33は、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物(例えばi型GaN)、InP系化合物(例えばi型InP)、及びGaAs系化合物(例えばi型GaAs)のうち少なくとも1つを含んで構成され得る。なお、インピーダンス変化層33の構成材料はこれらに限られず、例えば光導電性を有する半導体材料であってもよい。アドレス光E2の波長は、例えば400nm以上2μm以下である。アドレス光E2が赤外光であれば、主面3aにアドレス光E2が漏れ出ても観察者Aには見えずノイズ光とならないので好適である。インピーダンス変化層33の厚みは、例えば10nm以上20μm以下である。インピーダンス変化層33は、画素毎に分割され、各画素のインピーダンス変化層33は空隙GAを挟んで互いに分離している。 The impedance change layer 33 is a semiconductor layer located between the dielectric mirror 34 and the back surface 3b. In the illustrated example, the impedance changing layer 33 is located between the dielectric mirror 34 and the transparent electrode layer 32. The impedance change layer 33 expresses an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2 (see FIG. 2). Specifically, the impedance of the material constituting the impedance change layer 33 changes monotonically according to the light intensity when it receives light. Examples of such a material include hydrogenated amorphous silicon, GaN-based compounds, InP-based compounds, and GaAs-based compounds. Therefore, the impedance change layer 33 of the present embodiment is at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound (for example, i-type GaN), an InP-based compound (for example, i-type InP), and a GaAs-based compound (for example, i-type GaAs). It may be configured to include one. The constituent material of the impedance changing layer 33 is not limited to these, and may be, for example, a semiconductor material having photoconductivity. The wavelength of the address light E2 is, for example, 400 nm or more and 2 μm or less. If the address light E2 is infrared light, even if the address light E2 leaks to the main surface 3a, it is not visible to the observer A and does not become noise light, which is preferable. The thickness of the impedance changing layer 33 is, for example, 10 nm or more and 20 μm or less. The impedance change layer 33 is divided for each pixel, and the impedance change layer 33 of each pixel is separated from each other with a gap GA interposed therebetween.

誘電体ミラー34は、本実施形態における光反射層の例であって、主面3aに照射された光E1を反射する。誘電体ミラー34は、主面3aと裏面3bとの間に位置し、具体例としてはインピーダンス変化層33と液晶層36との間に位置する。図示例では、誘電体ミラー34はインピーダンス変化層33と接している。誘電体ミラー34は、高屈折率誘電体層と、該高屈折率誘電体層に対して相対的に低い屈折率を有する低屈折率誘電体層とが交互に積層されて成る。高屈折率誘電体層は、例えばTa、TiO2、Nb、SiN、Al23、及びHfO2のうち少なくとも1つを含む。また、低屈折率誘電体層は、例えばSiO及びMgF2のうち少なくとも1つを含む。誘電体ミラー34は、画素毎に分割され、各画素の誘電体ミラー34は空隙GAを挟んで互いに分離している。 The dielectric mirror 34 is an example of the light reflecting layer in the present embodiment, and reflects the light E1 irradiated on the main surface 3a. The dielectric mirror 34 is located between the main surface 3a and the back surface 3b, and as a specific example, is located between the impedance changing layer 33 and the liquid crystal layer 36. In the illustrated example, the dielectric mirror 34 is in contact with the impedance changing layer 33. The dielectric mirror 34 is formed by alternately laminating a high refractive index dielectric layer and a low refractive index dielectric layer having a relatively low refractive index with respect to the high refractive index dielectric layer. The high refractive index dielectric layer contains, for example, at least one of Ta 2 O 5 , TIO 2 , Nb 2 O 5 , SiN, Al 2 O 3 , and HfO 2. Further, the low refractive index dielectric layer contains, for example, at least one of SiO 2 and Mg F 2. The dielectric mirror 34 is divided into pixels, and the dielectric mirrors 34 of each pixel are separated from each other with a gap GA interposed therebetween.

液晶配向膜35は、平行配向型であり、誘電体ミラー34上に設けられ、一例では誘電体ミラー34に接している。液晶配向膜35は、例えばポリカーボネートフィルムと、該ポリカーボネートフィルム上に設けられた配向フィルム(例えばJSR社のAL−1254)とを含んで構成され得る。液晶配向膜35は、画素毎に分割され、各画素の液晶配向膜35は空隙GAを挟んで互いに分離している。 The liquid crystal alignment film 35 is a parallel alignment type, is provided on the dielectric mirror 34, and is in contact with the dielectric mirror 34 in one example. The liquid crystal alignment film 35 may be configured to include, for example, a polycarbonate film and an alignment film provided on the polycarbonate film (for example, AL-1254 of JSR Corporation). The liquid crystal alignment film 35 is divided into pixels, and the liquid crystal alignment film 35 of each pixel is separated from each other with a gap GA interposed therebetween.

液晶層36は、誘電体ミラー34と主面3aとの間に位置し、具体例としては誘電体ミラー34と透明電極層37との間に位置する。一例では、液晶層36はネマティック液晶36aを含む。また、液晶層36は、ネマティック液晶36aを画素毎に区画する隔壁39aを有する。隔壁39aは例えば樹脂製である。または、隔壁39aは、例えばSiといった半導体材料、若しくはSiO2、SiNといった無機材料によって構成されてもよい。図4の(a)部は、隔壁39aを部分的に拡大した平面図である。図4の(b)部は、隔壁39aを部分的に拡大した斜視図であって、隔壁39a付近の構造を上下逆にして示している。図4に示すように、本実施形態の隔壁39aは、格子状といった平面形状を有しており、液晶層36の厚み方向から見て、液晶を長方形状に区画している。なお、この例に限られず、隔壁39aは液晶を正方形状に区画してもよい。また、隔壁39aは、液晶層36上に設けられる層39bと一体に構成されている。隔壁39aと液晶配向膜35とは、液晶層36を囲むスペーサ301を介して互いに接合されている。スペーサ301は、分散ビーズを含む樹脂接着剤である。分散ビーズの直径は、隔壁39aの高さhよりも大きく、例えば直径数μm程度である。これにより、液晶が通過可能な隙間が液晶配向膜35と隔壁39aとの間に形成される。隔壁39aの高さhは、例えば1μmである。隔壁39aの幅wは、例えば0.17μm以上0.2μm以下である。 The liquid crystal layer 36 is located between the dielectric mirror 34 and the main surface 3a, and as a specific example, is located between the dielectric mirror 34 and the transparent electrode layer 37. In one example, the liquid crystal layer 36 includes a nematic liquid crystal 36a. Further, the liquid crystal layer 36 has a partition wall 39a that partitions the nematic liquid crystal 36a for each pixel. The partition wall 39a is made of resin, for example. Alternatively, the partition wall 39a may be made of a semiconductor material such as Si or an inorganic material such as SiO 2 or SiN. Part (a) of FIG. 4 is a partially enlarged plan view of the partition wall 39a. Part (b) of FIG. 4 is a partially enlarged perspective view of the partition wall 39a, and shows the structure in the vicinity of the partition wall 39a upside down. As shown in FIG. 4, the partition wall 39a of the present embodiment has a planar shape such as a grid shape, and divides the liquid crystal into a rectangular shape when viewed from the thickness direction of the liquid crystal layer 36. Not limited to this example, the partition wall 39a may partition the liquid crystal display into a square shape. Further, the partition wall 39a is integrally configured with the layer 39b provided on the liquid crystal layer 36. The partition wall 39a and the liquid crystal alignment film 35 are joined to each other via a spacer 301 surrounding the liquid crystal layer 36. Spacer 301 is a resin adhesive containing dispersed beads. The diameter of the dispersed beads is larger than the height h of the partition wall 39a, and is, for example, about several μm in diameter. As a result, a gap through which the liquid crystal can pass is formed between the liquid crystal alignment film 35 and the partition wall 39a. The height h of the partition wall 39a is, for example, 1 μm. The width w of the partition wall 39a is, for example, 0.17 μm or more and 0.2 μm or less.

図4の(a)部に示すように、隔壁39aは、主面3aに沿った第1方向D1に延在する部分と、主面3aに沿っており第1方向D1と交差(例えば直交)する第2方向D2に延在する部分とを含む。第2方向D2に延在する部分同士のピッチ(中心間隔)d1は、第1方向D1に延在する部分同士のピッチd2よりも大きい。従って、隔壁39aにより区画される1つの空間(画素)の平面形状は、第1方向D1を長手方向とする長方形となる。ピッチd1はピッチd2の2倍以上であってもよく、一実施例ではピッチd1はピッチd2の2倍である。また、ピッチd1及びd2は何れも5μm以下であってもよく、一実施例では、ピッチd1は1μmであり、ピッチd2は0.5μmである。 As shown in the portion (a) of FIG. 4, the partition wall 39a has a portion extending in the first direction D1 along the main surface 3a and intersecting the first direction D1 along the main surface 3a (for example, orthogonally). Includes a portion extending in the second direction D2. The pitch (center spacing) d1 between the portions extending in the second direction D2 is larger than the pitch d2 between the portions extending in the first direction D1. Therefore, the planar shape of one space (pixel) partitioned by the partition wall 39a is a rectangle with the first direction D1 as the longitudinal direction. The pitch d1 may be twice or more the pitch d2, and in one embodiment, the pitch d1 is twice the pitch d2. Further, the pitches d1 and d2 may both be 5 μm or less, and in one embodiment, the pitch d1 is 1 μm and the pitch d2 is 0.5 μm.

再び図3を参照する。透明電極層37は、本実施形態における第1電極層の例であって、液晶層36と主面3aとの間に位置する。図示例では、透明電極層37は隔壁39aと一体化した層39bにおける隔壁39aとは反対側の面と接している。透明電極層37は、光透過性を有する。ここでいう光透過性とは、高速プロジェクタ2Aから照射された二次元光像を含む光E1(図2を参照)を透過する性質をいう。一例では、透明電極層37は可視光域を含む波長帯域を透過する。透明電極層37の構成材料は、例えばITO、酸化亜鉛系の導電材料(AZO、GZO)のうち少なくとも1つを含む。透明電極層37の厚みは、例えば1nm以上1μm以下である。透明電極層37は、透明電極層32と異なり画素毎に分割されておらず、複数の画素にわたって一体に設けられている。 See FIG. 3 again. The transparent electrode layer 37 is an example of the first electrode layer in the present embodiment, and is located between the liquid crystal layer 36 and the main surface 3a. In the illustrated example, the transparent electrode layer 37 is in contact with the surface of the layer 39b integrated with the partition wall 39a on the side opposite to the partition wall 39a. The transparent electrode layer 37 has light transmission. The term "light transmission" as used herein means a property of transmitting light E1 (see FIG. 2) including a two-dimensional light image emitted from the high-speed projector 2A. In one example, the transparent electrode layer 37 transmits a wavelength band including a visible light region. The constituent material of the transparent electrode layer 37 includes, for example, ITO, at least one of zinc oxide-based conductive materials (AZO, GZO). The thickness of the transparent electrode layer 37 is, for example, 1 nm or more and 1 μm or less. Unlike the transparent electrode layer 32, the transparent electrode layer 37 is not divided for each pixel, but is integrally provided over a plurality of pixels.

透明基板38は、透明電極層37と同様に光透過性を有する、板状の部材である。すなわち、透明基板38は、高速プロジェクタ2Aから照射された二次元光像を含む光E1(図2を参照)を透過する。一例では、透明基板38はガラス基板である。透明基板38は、互いに平行且つ反対方向を向く主面38a及び裏面38bを含む。主面38a及び裏面38bは、平坦且つ滑面である。主面38aは、空間光変調器3の主面3aと一致する。裏面38bは、透明電極層37と対向し、例えば透明電極層37と接する。透明基板38の厚みは、例えば20μm以上1mm以下である。 The transparent substrate 38 is a plate-shaped member having light transmission like the transparent electrode layer 37. That is, the transparent substrate 38 transmits the light E1 (see FIG. 2) including the two-dimensional light image emitted from the high-speed projector 2A. In one example, the transparent substrate 38 is a glass substrate. The transparent substrate 38 includes a main surface 38a and a back surface 38b that are parallel to each other and face in opposite directions. The main surface 38a and the back surface 38b are flat and smooth. The main surface 38a coincides with the main surface 3a of the spatial light modulator 3. The back surface 38b faces the transparent electrode layer 37 and is in contact with, for example, the transparent electrode layer 37. The thickness of the transparent substrate 38 is, for example, 20 μm or more and 1 mm or less.

空間光変調器3の動作は次の通りである。まず、透明電極層32と透明電極層37との間に交流電圧源11(図2を参照)を接続して交流電圧を印加する。交流電圧の実効電圧は例えば3ボルトであり、周波数は例えば10Hz〜100Hzの範囲内である。アドレス光E2が裏面3b側に照射されると、アドレス光E2はインピーダンス変化層33に達し、インピーダンス変化層33にインピーダンスの分布を与える。すなわち、アドレス光E2の光強度が小さい画素ではインピーダンス変化層33のインピーダンスが大きい状態に維持され、アドレス光E2の光強度が大きい画素ではインピーダンス変化層33のインピーダンスが小さくなる。従って、インピーダンス変化層33のインピーダンス分布は、アドレス光E2の強度分布に応じた分布となる。インピーダンス変化層33のインピーダンスが小さくなった画素では、液晶層36に与えられる電圧が大きくなり、液晶層36に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層33のインピーダンスが大きい状態に維持された画素では、インピーダンス変化層33のインピーダンスが液晶層36のインピーダンスと比べて大きいので、液晶層36に与えられる電圧が小さく、液晶層36に弱い電界が印加される(或いは、電界が全く印加されない)。なお、アドレス光E2は、誘電体ミラー34により遮られて液晶層36には達しない。 The operation of the spatial light modulator 3 is as follows. First, an AC voltage source 11 (see FIG. 2) is connected between the transparent electrode layer 32 and the transparent electrode layer 37, and an AC voltage is applied. The effective voltage of the AC voltage is, for example, 3 volts, and the frequency is, for example, in the range of 10 Hz to 100 Hz. When the address light E2 is irradiated on the back surface 3b side, the address light E2 reaches the impedance changing layer 33 and gives an impedance distribution to the impedance changing layer 33. That is, the impedance of the impedance changing layer 33 is maintained in a state of being large in the pixel where the light intensity of the address light E2 is low, and the impedance of the impedance changing layer 33 is small in the pixel where the light intensity of the address light E2 is high. Therefore, the impedance distribution of the impedance changing layer 33 becomes a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light E2. In the pixel in which the impedance of the impedance changing layer 33 becomes small, the voltage applied to the liquid crystal layer 36 becomes large, and a strong electric field is applied to the liquid crystal layer 36. Further, in the pixel in which the impedance of the impedance changing layer 33 is maintained in a large state, the impedance of the impedance changing layer 33 is larger than the impedance of the liquid crystal layer 36, so that the voltage applied to the liquid crystal layer 36 is small and the liquid crystal layer 36 has a small voltage. A weak electric field is applied (or no electric field is applied at all). The address light E2 is blocked by the dielectric mirror 34 and does not reach the liquid crystal layer 36.

主面3aには、高速プロジェクタ2Aから二次元光像を含む光E1が照射される。光E1は、透明基板38、透明電極層37及び液晶層36を透過したのち誘電体ミラー34において反射し、再び液晶層36、透明電極層37及び透明基板38を透過して、主面3aから空間光変調器3の外部へ出射する。液晶層36においては、電界が印加されるとネマティック液晶36aの液晶分子が傾く。液晶分子の傾きは、印加された電界の大きさに依存する。液晶分子が傾くほど、光E1に対するネマティック液晶36aの等価的な屈折率が小さくなり、ネマティック液晶36a中において光E1の位相が進む。故に、光E1に対して、アドレス光E2の光強度分布に応じた位相分布が与えられる。空間光変調器3において、π(rad)の位相変調に要する応答時間は例えば約30ミリ秒であり、その場合、毎秒30フレームのパターン変更を実現可能である。 The main surface 3a is irradiated with light E1 including a two-dimensional light image from the high-speed projector 2A. The light E1 passes through the transparent substrate 38, the transparent electrode layer 37, and the liquid crystal layer 36, is reflected by the dielectric mirror 34, passes through the liquid crystal layer 36, the transparent electrode layer 37, and the transparent substrate 38 again, and is transmitted from the main surface 3a. It emits light to the outside of the spatial light modulator 3. In the liquid crystal layer 36, when an electric field is applied, the liquid crystal molecules of the nematic liquid crystal 36a are tilted. The slope of the liquid crystal molecules depends on the magnitude of the applied electric field. As the liquid crystal molecules are tilted, the equivalent refractive index of the nematic liquid crystal 36a with respect to the light E1 becomes smaller, and the phase of the light E1 advances in the nematic liquid crystal 36a. Therefore, a phase distribution corresponding to the light intensity distribution of the address light E2 is given to the light E1. In the spatial light modulator 3, the response time required for phase modulation of π (rad) is, for example, about 30 milliseconds, and in that case, it is possible to realize a pattern change of 30 frames per second.

ここで、空間光変調器3の作製方法の例について説明する。図5及び図6は、空間光変調器3の作製方法における各工程を示す断面図である。まず、図5の(a)部に示すように、透明基板38を用意し、透明基板38の一方の面上に透明電極層37を形成する。透明電極層37の形成方法は例えば真空蒸着法またはスパッタである。次に、図5の(b)部に示すように、透明電極層37における透明基板38とは反対側の面上に、隔壁39aのための紫外線硬化樹脂39を塗布する。そして、図5の(c)部に示すように、隔壁39aに対応する格子状の溝を有する型51を紫外線硬化樹脂39に押し付け(ナノインプリント)、その状態を維持しながら紫外線硬化樹脂39に紫外光を照射して紫外線硬化樹脂39を硬化させる。その後、型51を除去する。これにより、図5の(d)部に示すように隔壁39a及び層39bが形成される。 Here, an example of a method for manufacturing the spatial light modulator 3 will be described. 5 and 6 are cross-sectional views showing each step in the method of manufacturing the spatial light modulator 3. First, as shown in part (a) of FIG. 5, a transparent substrate 38 is prepared, and a transparent electrode layer 37 is formed on one surface of the transparent substrate 38. The method for forming the transparent electrode layer 37 is, for example, a vacuum vapor deposition method or sputtering. Next, as shown in part (b) of FIG. 5, the ultraviolet curable resin 39 for the partition wall 39a is applied onto the surface of the transparent electrode layer 37 on the side opposite to the transparent substrate 38. Then, as shown in the portion (c) of FIG. 5, a mold 51 having a grid-like groove corresponding to the partition wall 39a is pressed against the ultraviolet curable resin 39 (nanoimprint), and the ultraviolet curable resin 39 is ultraviolet while maintaining the state. The ultraviolet curable resin 39 is cured by irradiating it with light. After that, the mold 51 is removed. As a result, the partition wall 39a and the layer 39b are formed as shown in the portion (d) of FIG.

また、図6の(a)部に示すように、透明基板31を用意し、透明基板31の一方の面上に透明電極層32を形成する。透明電極層32の形成方法は例えば真空蒸着法またはスパッタである。次に、透明電極層32上にインピーダンス変化層33を形成する。インピーダンス変化層33の形成方法は例えば真空蒸着法またはスパッタである。その後、図6の(b)部に示すように、インピーダンス変化層33上に誘電体ミラー34を形成する。すなわち、高屈折率誘電体層と、高屈折率誘電体層に対して相対的に低い屈折率を有する低屈折率誘電体層とを交互に積層することにより誘電体ミラー34を形成する。高屈折率誘電体層及び低屈折率誘電体層の形成方法は、例えば真空蒸着法またはスパッタである。そして、図6の(c)部に示すように、誘電体ミラー34上に液晶配向膜35を配置する。具体的には、ポリカーボネートフィルムと、配向フィルムとを積層する。 Further, as shown in the portion (a) of FIG. 6, the transparent substrate 31 is prepared, and the transparent electrode layer 32 is formed on one surface of the transparent substrate 31. The method for forming the transparent electrode layer 32 is, for example, a vacuum vapor deposition method or sputtering. Next, the impedance change layer 33 is formed on the transparent electrode layer 32. The method for forming the impedance changing layer 33 is, for example, a vacuum vapor deposition method or sputtering. After that, as shown in the part (b) of FIG. 6, the dielectric mirror 34 is formed on the impedance changing layer 33. That is, the dielectric mirror 34 is formed by alternately stacking the high refractive index dielectric layer and the low refractive index dielectric layer having a relatively low refractive index with respect to the high refractive index dielectric layer. The method for forming the high refractive index dielectric layer and the low refractive index dielectric layer is, for example, a vacuum vapor deposition method or sputtering. Then, as shown in the portion (c) of FIG. 6, the liquid crystal alignment film 35 is arranged on the dielectric mirror 34. Specifically, the polycarbonate film and the alignment film are laminated.

続いて、液晶配向膜35上における液晶を充填する領域の周辺に、分散ビーズを含む接着剤を塗布し、図5の(d)部に示した隔壁39aと、図6の(c)部に示した液晶配向膜35とを互いに接合する(図6の(d)部)。この際、分散ビーズの直径を隔壁39aの高さよりも大きくし、隔壁39aと液晶配向膜35との間にネマティック液晶36aが通過可能な隙間を設けておく。また、液晶充填用の開口部には接着剤を塗布しない。接着剤が硬化したのち、全体を減圧し、液晶充填用の開口部からネマティック液晶36aを注入したのち、開口部に接着剤を塗布して密封する。こうして、空間光変調器3が完成する。 Subsequently, an adhesive containing dispersed beads was applied to the periphery of the region filled with the liquid crystal on the liquid crystal alignment film 35, and the partition wall 39a shown in the portion (d) of FIG. 5 and the portion (c) of FIG. 6 were covered with the adhesive. The liquid crystal alignment film 35 shown is bonded to each other (part (d) in FIG. 6). At this time, the diameter of the dispersed beads is made larger than the height of the partition wall 39a, and a gap through which the nematic liquid crystal 36a can pass is provided between the partition wall 39a and the liquid crystal alignment film 35. In addition, no adhesive is applied to the opening for filling the liquid crystal display. After the adhesive is cured, the pressure is reduced as a whole, nematic liquid crystal 36a is injected through the opening for filling the liquid crystal, and then the adhesive is applied to the opening to seal the opening. In this way, the spatial light modulator 3 is completed.

再び図2を参照する。アドレス光照射部4Aは、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。本実施形態のアドレス光照射部4Aは、円環状の発光装置41と、発光装置41の内側に配置された光学系43とを有する。図7は、発光装置41を円環の軸方向から見た平面図である。図7に示すように、発光装置41は、回折格子パターンに基づいて配置された複数の発光部42を含んで構成されている。複数の発光部42は、発光面42aを内側に向けて、円周に沿って並んで配列されている。図8は、一つの発光部42の発光面42aを示す正面図である。図8に示すように、各発光部42は、回折格子パターンに基づいて、上下方向に周期的に且つ交互に並んで配置された発光領域42b,42cを発光面42aに有する。このような発光領域42b,42cを有することにより、各発光部42は、後述する回折格子パターンを近視野像に含むアドレス光E2を出力可能となっている。発光領域42b,42cは、例えば発光ダイオード、面発光レーザなどの面発光型の半導体発光素子の光出射面上に、回折格子パターンに応じて開口部及び遮光部を周期的に繰り返す周期構造(例えば、後述する図38を参照)が設けられたものによって好適に構成され得る。面発光レーザは、垂直共振器面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser;VCSEL)、活性層及びフォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ(Photonic Crystal Surface Emitting Laser;PCSEL)、またはS−iPMレーザ(後述)であってもよい。 See FIG. 2 again. The address light irradiation unit 4A irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4A of the present embodiment has an annular light emitting device 41 and an optical system 43 arranged inside the light emitting device 41. FIG. 7 is a plan view of the light emitting device 41 as viewed from the axial direction of the annulus. As shown in FIG. 7, the light emitting device 41 includes a plurality of light emitting units 42 arranged based on the diffraction grating pattern. The plurality of light emitting units 42 are arranged side by side along the circumference with the light emitting surface 42a facing inward. FIG. 8 is a front view showing a light emitting surface 42a of one light emitting unit 42. As shown in FIG. 8, each light emitting unit 42 has light emitting regions 42b and 42c arranged periodically and alternately in the vertical direction on the light emitting surface 42a based on the diffraction grating pattern. By having such light emitting regions 42b and 42c, each light emitting unit 42 can output the address light E2 including the diffraction grating pattern described later in the near field image. The light emitting regions 42b and 42c have a periodic structure (for example,) in which an opening and a light shielding portion are periodically repeated on the light emitting surface of a surface emitting semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a surface emitting laser according to a diffraction grating pattern. , See FIG. 38, which will be described later). The surface emitting laser is a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), a photonic crystal surface emitting laser (PCSEL) having an active layer and a photonic crystal layer, or S-iPM. It may be a laser (described later).

図2に示すように、光学系43は、複数の発光部42と空間光変調器3の裏面3bとを光学的に結合する。そして、光学系43は、各発光部42の発光領域42b,42cから出射されたアドレス光E2を、空間光変調器3の裏面3bに向けて偏向する。光学系43は、発光装置41と同心の円環状を呈しており、円環の中心軸を含む断面における光学系43の形状は、例えばOff-axis型の凸レンズを含む。或いは、円環の中心軸を含む断面における光学系43の形状は、メタレンズを含んでもよい。光学系43がメタレンズを含む場合、光学系43の径方向の厚さを薄くすることが出来るので、密集した配置に適する。これにより、実効的に曲率半径の大きい凸レンズでは隣接するレンズ同士が接触してしまうような場合に、凸レンズをフラットレンズであるメタレンズに置き換えることができ、偏向角をより大きくすることができる。なお、光学系43の形状はこれらに限られず、アドレス光E2を裏面3bに向けて偏向し得る形状であれば、他の様々な形状を採用し得る。 As shown in FIG. 2, the optical system 43 optically couples a plurality of light emitting units 42 and the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Then, the optical system 43 deflects the address light E2 emitted from the light emitting regions 42b and 42c of each light emitting unit 42 toward the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The optical system 43 exhibits an annular shape concentric with the light emitting device 41, and the shape of the optical system 43 in the cross section including the central axis of the annulus includes, for example, an Off-axis type convex lens. Alternatively, the shape of the optical system 43 in the cross section including the central axis of the annulus may include a metal lens. When the optical system 43 includes a metal lens, the thickness of the optical system 43 in the radial direction can be reduced, which is suitable for a dense arrangement. As a result, when a convex lens having a large radius of curvature comes into contact with each other, the convex lens can be replaced with a metal lens which is a flat lens, and the deflection angle can be further increased. The shape of the optical system 43 is not limited to these, and various other shapes can be adopted as long as the address light E2 can be deflected toward the back surface 3b.

図9〜図12は、空間光変調器3の裏面3bにアドレス光E2を照射する様子を概念的に示す図である。これらの図においては、アドレス光E2の強度分布を色の濃淡で表している。色が濃い領域ほど光強度が小さく、色が淡い領域ほど光強度が大きい。本実施形態のアドレス光E2は、光強度が小さい(或いは光強度が略ゼロである)領域E2aと、光強度がやや大きい領域E2bと、光強度が大きい領域E2cとを含み、これら3つの領域E2a〜E2cが順に繰り返し並ぶことによって回折格子パターンが構成されている。言い換えると、回折格子パターンは、光強度が或る方向に周期的に変化する構成を有し、各周期内において光強度は段階的に(すなわち単調に)強くなるか或いは弱くなり、各周期内における光強度が互いに異なる領域の数は3以上(図示例では3つ)である。図9に示すように、領域E2a〜E2cの配列周期は、各画素30の長手方向における画素ピッチの3倍と一致するか、それより大きい。そして、図9〜図12に示すように、裏面3bにおける回折格子パターン(裏面3bに照射されたアドレス光E2に含まれる回折格子パターン)の向きを動的に変化させる。例えば、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを裏面3bの中心回りに回転させる。このような回折格子パターンの向きの変化は、複数の発光部42の中から選択された、回折格子パターンの所望の向きに対応する一部の発光部42からアドレス光E2を出力させることによって好適に実現され得る。回折格子パターンの回転速度は、例えば10rpm以上10000rpm以下であり、一例では3600rpmである。 9 to 12 are diagrams conceptually showing how the address light E2 is irradiated to the back surface 3b of the spatial light modulator 3. In these figures, the intensity distribution of the address light E2 is represented by shades of color. The darker the color, the lower the light intensity, and the lighter the color, the higher the light intensity. The address light E2 of the present embodiment includes a region E2a having a low light intensity (or a region having substantially zero light intensity), a region E2b having a slightly high light intensity, and a region E2c having a high light intensity, and these three regions are included. A diffraction grating pattern is formed by repeatedly arranging E2a to E2c in order. In other words, the diffraction grating pattern has a structure in which the light intensity changes periodically in a certain direction, and the light intensity gradually increases or decreases gradually (that is, monotonously) within each period, and within each period. The number of regions in which the light intensities differ from each other is 3 or more (3 in the illustrated example). As shown in FIG. 9, the arrangement period of the regions E2a to E2c coincides with or is larger than three times the pixel pitch in the longitudinal direction of each pixel 30. Then, as shown in FIGS. 9 to 12, the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b (the diffraction grating pattern included in the address light E2 irradiated on the back surface 3b) is dynamically changed. For example, the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b is rotated around the center of the back surface 3b. Such a change in the orientation of the diffraction grating pattern is preferable by outputting the address light E2 from a part of the light emitting units 42 corresponding to the desired orientation of the diffraction grating pattern selected from the plurality of light emitting units 42. Can be realized. The rotation speed of the diffraction grating pattern is, for example, 10 rpm or more and 10000 rpm or less, and in one example, 3600 rpm.

以上の構成を備える本実施形態の画像出力装置1Aによって得られる効果について説明する。画像出力装置1Aでは、アドレス光照射部4Aが、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。空間光変調器3の各画素30は、各画素30の裏面3b側に照射されたアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有するので、空間光変調器3は、回折格子パターンに応じた位相パターンを、主面3aに入射した光E1に与える。従って、高速プロジェクタ2Aから主面3aに対して照射された二次元光像は、空間光変調器3において反射する際、回折格子パターンの向きに応じた方向に偏向して出力される。更に、裏面3bにおける回折格子パターンの向きをアドレス光照射部4Aが動的に変化させるので、二次元光像の偏向方向も動的に変化することとなる。回折格子パターンの向きに対応する二次元光像を高速プロジェクタ2Aが主面3aに照射すると、観察者Aに対して立体的な画像を提示することが可能になる。加えて、この画像出力装置1Aによれば、回折格子パターンを含むアドレス光E2を動的に変化させることにより立体画像を出力するので、光偏向要素である空間光変調器3を静止させたまま立体画像を出力することが可能になる。従って、ホログラフィックスクリーンを機械的に高速で回転させる非特許文献1に開示された装置と比較して、空間光変調器3のサイズを大型化して立体画像を大きくすることが容易にできる。 The effect obtained by the image output device 1A of the present embodiment having the above configuration will be described. In the image output device 1A, the address light irradiation unit 4A irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. Since each pixel 30 of the spatial light modulator 3 has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light E2 irradiated on the back surface 3b side of each pixel 30, the spatial light modulator 3 has a diffraction grating. A phase pattern corresponding to the pattern is given to the light E1 incident on the main surface 3a. Therefore, when the two-dimensional light image emitted from the high-speed projector 2A onto the main surface 3a is reflected by the spatial light modulator 3, it is output deflected in a direction corresponding to the direction of the diffraction grating pattern. Further, since the address light irradiation unit 4A dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b, the deflection direction of the two-dimensional light image also dynamically changes. When the high-speed projector 2A irradiates the main surface 3a with a two-dimensional light image corresponding to the orientation of the diffraction grating pattern, it becomes possible to present a three-dimensional image to the observer A. In addition, according to this image output device 1A, a stereoscopic image is output by dynamically changing the address light E2 including the diffraction grating pattern, so that the spatial light modulator 3 which is an optical deflection element remains stationary. It becomes possible to output a stereoscopic image. Therefore, it is possible to easily increase the size of the spatial light modulator 3 and enlarge the stereoscopic image as compared with the apparatus disclosed in Non-Patent Document 1 in which the holographic screen is mechanically rotated at high speed.

本実施形態のように、アドレス光照射部4Aは、空間光変調器3の裏面3bにおいて回折格子パターンを回転させてもよい。この場合、360°の全周方向に対して立体的な画像を提示することが可能になる。なお、回折格子パターンの向きの動的な変化は、回折格子パターンの回転に限定されず、或る限られた角度範囲における回動動作であってもよい。 As in the present embodiment, the address light irradiation unit 4A may rotate the diffraction grating pattern on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. In this case, it is possible to present a three-dimensional image in the entire circumferential direction of 360 °. The dynamic change in the orientation of the diffraction grating pattern is not limited to the rotation of the diffraction grating pattern, and may be a rotation operation in a limited angle range.

本実施形態のように、空間光変調器3は、主面3aと裏面3bとの間に位置する誘電体ミラー34と、誘電体ミラー34と主面3aとの間に位置する液晶層36と、液晶層36と主面3aとの間に位置する透明電極層37と、誘電体ミラー34と裏面3bとの間に位置し、アドレス光E2の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層33と、インピーダンス変化層33と裏面3bとの間に位置する透明電極層32と、を有してもよい。そして、液晶層36は、ネマティック液晶36aを画素毎に区画する隔壁39aを有してもよい。アドレス光E2が空間光変調器3の裏面3bに照射されると、インピーダンス変化層33のインピーダンス分布は、アドレス光E2の強度分布に応じた分布となる。透明電極層37と透明電極層32との間に電圧が印加された場合、インピーダンス変化層33のインピーダンスが小さい画素では、液晶層36に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層33のインピーダンスが大きい画素では、液晶層36に弱い電界が印加される。従って、この画像出力装置1Aによれば、空間光変調器3の各画素において、各画素の裏面3b側に照射されたアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を実現することができる。更に、ネマティック液晶36aを画素毎に区画する隔壁39aを液晶層36が有することによって、画素間のネマティック液晶36aの相互作用を低減でき、回折格子パターンに応じた位相パターンをより明瞭にすることができる。 As in the present embodiment, the spatial light modulator 3 includes a dielectric mirror 34 located between the main surface 3a and the back surface 3b, and a liquid crystal layer 36 located between the dielectric mirror 34 and the main surface 3a. An impedance that is located between the transparent electrode layer 37 located between the liquid crystal layer 36 and the main surface 3a and between the dielectric mirror 34 and the back surface 3b and exhibits an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2. The change layer 33 may have a transparent electrode layer 32 located between the impedance change layer 33 and the back surface 3b. The liquid crystal layer 36 may have a partition wall 39a that partitions the nematic liquid crystal 36a for each pixel. When the address light E2 is applied to the back surface 3b of the spatial light modulator 3, the impedance distribution of the impedance changing layer 33 becomes a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light E2. When a voltage is applied between the transparent electrode layer 37 and the transparent electrode layer 32, a strong electric field is applied to the liquid crystal layer 36 in pixels having a small impedance of the impedance changing layer 33. Further, in a pixel having a large impedance of the impedance changing layer 33, a weak electric field is applied to the liquid crystal layer 36. Therefore, according to this image output device 1A, in each pixel of the spatial light modulator 3, it is possible to realize a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light E2 irradiated on the back surface 3b side of each pixel. Can be done. Further, by having the partition wall 39a for partitioning the nematic liquid crystal 36a for each pixel, the interaction of the nematic liquid crystal 36a between the pixels can be reduced, and the phase pattern corresponding to the diffraction grating pattern can be made clearer. can.

本実施形態のように、隔壁39aは、主面3aに沿った第1方向D1と第2方向D2とに延在し、第2方向D2に延在する隔壁39a同士のピッチは、第1方向D1に延在する隔壁39a同士のピッチより大きくてもよい。この場合、ネマティック液晶36aの向きが揃い易いので、特定の偏光方向に対するネマティック液晶36aの光透過/非透過特性を効果的に発揮させることができる。 As in the present embodiment, the partition wall 39a extends in the first direction D1 and the second direction D2 along the main surface 3a, and the pitch between the partition walls 39a extending in the second direction D2 is the first direction. It may be larger than the pitch between the partition walls 39a extending to D1. In this case, since the directions of the nematic liquid crystal 36a are easily aligned, the light transmission / non-transmission characteristics of the nematic liquid crystal 36a with respect to a specific polarization direction can be effectively exhibited.

本実施形態のように、第2方向D2に延在する隔壁39a同士のピッチは、第1方向D1に延在する隔壁39a同士のピッチの2倍以上であってもよい。発明者の知見によれば、この場合、ネマティック液晶36aの向きが特に揃い易いので、特定の偏光方向に対するネマティック液晶36aの光透過/非透過特性をより効果的に発揮させることができる。 As in the present embodiment, the pitch between the partition walls 39a extending in the second direction D2 may be twice or more the pitch between the partition walls 39a extending in the first direction D1. According to the inventor's knowledge, in this case, the orientation of the nematic liquid crystal 36a is particularly easy to align, so that the light transmission / non-transmission characteristics of the nematic liquid crystal 36a with respect to a specific polarization direction can be more effectively exhibited.

本実施形態のように、第1方向D1に延在する隔壁39a同士のピッチ、及び第2方向D2に延在する隔壁39a同士のピッチは何れも5μm以下であってもよい。このように小さな間隔で隔壁39aを構成することにより、空間光変調器3の画素サイズを小さくすることができ、ひいては回折格子の周期を短くすることができる。従って、後述するように、空間光変調器3による二次元光像の回折角を大きくして、立体画像の出力方向を空間光変調器3の主面3aを含む平面に近づけることができるので、空間光変調器3の周囲に存在する観察者Aに対して実用的な立体画像を提供することができる。 As in the present embodiment, the pitch between the partition walls 39a extending in the first direction D1 and the pitch between the partition walls 39a extending in the second direction D2 may be 5 μm or less. By forming the partition walls 39a at such small intervals, the pixel size of the spatial light modulator 3 can be reduced, and the period of the diffraction grating can be shortened. Therefore, as will be described later, the diffraction angle of the two-dimensional light image by the spatial light modulator 3 can be increased so that the output direction of the stereoscopic image can be brought closer to the plane including the main surface 3a of the spatial light modulator 3. It is possible to provide a practical stereoscopic image to the observer A existing around the spatial light modulator 3.

本実施形態のように、インピーダンス変化層33は、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物のうち少なくとも1つを含んでもよい。これらの物質のインピーダンスは、光を受けると変化する。従って、この場合、アドレス光E2の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層33を好適に実現することができる。 As in the present embodiment, the impedance change layer 33 may include at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound, an InP-based compound, and a GaAs-based compound. The impedance of these substances changes when exposed to light. Therefore, in this case, the impedance change layer 33 that expresses the impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2 can be suitably realized.

本実施形態のように、アドレス光照射部4Aは、円周に沿って並んで配列され、回折格子パターンを含むアドレス光E2をそれぞれ出力可能な複数の発光部42と、複数の発光部42と裏面3bとを光学的に結合する光学系43と、を有してもよい。そして、複数の発光部42の中から選択された、回折格子パターンの所望の向きに対応する一部の発光部42がアドレス光E2を出力してもよい。この場合、機械的な駆動部を無くすことができ、信頼性の向上につながる。また、この場合、光学系43がメタレンズを含むことにより、大面積且つ薄型の光学系43を実現でき、比較的大きな広がりを有するアドレス光E2を空間光変調器3の裏面3bに照射することができる。 As in the present embodiment, the address light irradiation units 4A are arranged side by side along the circumference, and a plurality of light emitting units 42 capable of outputting address light E2 including a diffraction grating pattern, and a plurality of light emitting units 42. It may have an optical system 43 that optically couples the back surface 3b. Then, a part of the light emitting units 42 corresponding to the desired direction of the diffraction grating pattern selected from the plurality of light emitting units 42 may output the address light E2. In this case, the mechanical drive unit can be eliminated, which leads to improvement in reliability. Further, in this case, since the optical system 43 includes the metal lens, it is possible to realize a large area and thin optical system 43, and it is possible to irradiate the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 having a relatively large spread. can.

本実施形態のように、画像出力装置1Aは、高速プロジェクタ2Aと空間光変調器3との間に配置され、二次元光像に含まれる、可視光を除く他の波長成分のうち少なくとも一部の波長成分の強度を低減するフィルタ15を備えてもよい。これにより、インピーダンス変化層33への光E1の入射光量を低減して、光E1が空間光変調器3の位相変調量に影響する度合いを低減できる。 As in the present embodiment, the image output device 1A is arranged between the high-speed projector 2A and the spatial light modulator 3, and at least a part of other wavelength components other than visible light contained in the two-dimensional light image. The filter 15 may be provided to reduce the intensity of the wavelength component of. As a result, the amount of incident light of the light E1 on the impedance changing layer 33 can be reduced, and the degree to which the light E1 affects the phase modulation amount of the spatial light modulator 3 can be reduced.

本実施形態のように、透明電極層32、インピーダンス変化層33、誘電体ミラー34、及び液晶配向膜35は、画素毎に分割され、各画素部分は空隙GAを挟んで互いに分離していてもよい。この場合、隣接画素間のクロストークを低減できる。 As in the present embodiment, the transparent electrode layer 32, the impedance change layer 33, the dielectric mirror 34, and the liquid crystal alignment film 35 are divided into pixels, and each pixel portion is separated from each other with a gap GA interposed therebetween. good. In this case, crosstalk between adjacent pixels can be reduced.

前述したように、発光部42は、活性層及びフォトニック結晶層を有するPCSELと、PCSELの光出射面上に設けられ、回折格子パターンに応じて開口部及び遮光部を周期的に繰り返す周期構造と、を有してもよい。この場合、回折格子パターンを含むアドレス光を出力する発光部42を好適に実現することができる。 As described above, the light emitting unit 42 is provided on the light emitting surface of the PCSEL having the active layer and the photonic crystal layer and the light emitting surface of the PCSEL, and has a periodic structure in which the opening and the light shielding unit are periodically repeated according to the diffraction grating pattern. And may have. In this case, the light emitting unit 42 that outputs the address light including the diffraction grating pattern can be suitably realized.

ここで、空間光変調器3において実現される回折格子について詳細に説明する。図13は、位相変調量が0(rad)である領域P1と、位相変調量がπ(rad)である領域P2とが周期的に交互に並んでいる場合を示している。図中の直線B1は、主面3aの法線方向から照射された二次元光像がこの回折格子により回折された場合の波面を示している。この例では、回折角θと、二次元光像の波長λと、領域P1,P2の配列ピッチLとの関係は次式(1)で表される。

Figure 2021196553

なお、回折角θとは、二次元光像の入射方向である法線方向Daと、波面の法線方向すなわち光出射方向Dbとのなす角であって、主面3aと波面B1とのなす角に等しい。例えば回折角θを30°としたい場合、L=λとするとよい。 Here, the diffraction grating realized in the spatial light modulator 3 will be described in detail. Figure 13 is a region P 1 phase modulation amount is 0 (rad), and a region P 2 phase modulation amount is [pi (rad) indicates the case where are arranged regularly alternately. The straight line B1 in the figure shows the wavefront when the two-dimensional optical image irradiated from the normal direction of the main surface 3a is diffracted by this diffraction grating. In this example, the relationship between the diffraction angle θ, the wavelength λ of the two-dimensional optical image, and the array pitch L of the regions P 1 and P 2 is expressed by the following equation (1).
Figure 2021196553

The diffraction angle θ is an angle formed by the normal direction Da, which is the incident direction of the two-dimensional light image, and the normal direction of the wave surface, that is, the light emission direction Db, and is formed by the main surface 3a and the wave surface B1. Equal to a corner. For example, when it is desired to set the diffraction angle θ to 30 °, it is preferable to set L = λ.

しかしながらこの場合、図14に示すように、主面3aの法線方向から見て、波面B1とは逆向きに進む波面B2も同時に生じる。波面B2の回折角θは、波面B1の回折角θと等しい。すなわち、波面B2は、主面3aの法線に関して波面B1と線対称である方向に出射することとなる。従って、図1の観察者Aと対向する位置にいる別の観察者にも同じ二次元光像が見えてしまう。故に、空間光変調器3周りの各位置において、本来見せるべき二次元光像と、その位置から180°移動した位置において見せるべき二次元光像とが重なって見えてしまう。 However, in this case, as shown in FIG. 14, a wavefront B2 traveling in the direction opposite to the wavefront B1 when viewed from the normal direction of the main surface 3a is also generated at the same time. The diffraction angle θ of the wavefront B2 is equal to the diffraction angle θ of the wavefront B1. That is, the wavefront B2 emits in a direction that is line-symmetric with the wavefront B1 with respect to the normal of the main surface 3a. Therefore, the same two-dimensional optical image can be seen by another observer at a position facing the observer A in FIG. Therefore, at each position around the spatial light modulator 3, the two-dimensional light image that should be shown and the two-dimensional light image that should be shown at a position moved by 180 ° from that position appear to overlap.

そのような見え方が許容される場合は問題ないが、許容されない場合もある。そこで、本実施形態では、図15に示すように、3個の領域P1〜P3により1つのユニットPUを構成し、複数のユニットPUのそれぞれにおいて、位相変調量が0(rad)である領域P1と、位相変調量が2π/3(rad)である領域P2と、位相変調量が4π/3(rad)である領域P3とをこの順で並べる。位相変調量が0(rad)である領域P1は、図9〜図12の領域E2aに対応する。位相変調量が2π/3(rad)である領域P2は、図9〜図12の領域E2bに対応する。位相変調量が4π/3(rad)である領域P3は、図9〜図12の領域E2cに対応する。領域P1〜P3の配列ピッチをLとすると、各ユニットPUのピッチすなわち回折格子の周期は3L(=Λ)である。また、或る波面B1とその次に生じる波面B1との間隔は、mλ(mは整数)である。すなわち、次の数式(2)が成り立つ。なお、ピッチLは、空間光変調器3の各画素の長手方向(図4の(a)部における第1方向D1)の長さ以上とされ、好適な例では、ピッチLは空間光変調器3の各画素の長手方向の長さと等しい。

Figure 2021196553
If such an appearance is acceptable, there is no problem, but in some cases it is not. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 15, the three areas P 1 to P 3 form one unit PU, in each of the plurality of units PU, the phase modulation amount is 0 (rad) the area P 1, the region P 2 phase modulation amount is 2π / 3 (rad), arranged and a region P 3 phase modulation amount is 4π / 3 (rad) in this order. The region P 1 in which the phase modulation amount is 0 (rad) corresponds to the region E 2a in FIGS. 9 to 12. The region P 2 in which the phase modulation amount is 2π / 3 (rad) corresponds to the region E2b of FIGS. 9 to 12. The region P 3 having a phase modulation amount of 4π / 3 (rad) corresponds to the region E2c of FIGS. 9 to 12. When the arrangement pitch of the regions P 1 to P 3 is L, the period of the pitch or the diffraction grating of each unit PU is 3L (= Λ). Further, the distance between a certain wavefront B1 and the wavefront B1 that occurs next is mλ (m is an integer). That is, the following mathematical formula (2) holds. The pitch L is set to be equal to or longer than the length in the longitudinal direction (first direction D1 in the portion (a) of FIG. 4) of each pixel of the spatial light modulator 3, and in a preferred example, the pitch L is the spatial light modulator. Equal to the longitudinal length of each of the 3 pixels.
Figure 2021196553

図16は、回折格子の周期Λを波長λで規格化したときの周期Λと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。図16の(a)部は回折角θ=0°〜90°のグラフを示し、図16の(b)部はそのうち回折角θ=5°〜30°の部分を拡大して示し、図16の(c)部は回折角θ=30°〜90°の部分を拡大して示す。図16の(b)部を参照すると、例えば回折角θ≧10°を実現するためには、Λ≦6λを満たすことが必要であることがわかる。言い換えると、回折格子の周期Λは波長λの6倍以下であることが望ましい。これにより、回折角θ≧10°を実現することができる。また、図16の(c)部を参照すると、例えば回折角θ≧30°を実現するためには、Λ≦2λを満たすことが必要であることがわかる。言い換えると、回折格子の周期Λは波長λの2倍以下であることが望ましい。これにより、回折角θ≧30°を実現することができる。 FIG. 16 is a graph showing the relationship between the period Λ and the diffraction angle θ (provided that m = 1) when the period Λ of the diffraction grating is normalized by the wavelength λ. Part (a) of FIG. 16 shows a graph having a diffraction angle θ = 0 ° to 90 °, and part (b) of FIG. 16 shows an enlarged portion of the part having a diffraction angle θ = 5 ° to 30 °. Part (c) shows an enlarged portion of the diffraction angle θ = 30 ° to 90 °. With reference to the part (b) of FIG. 16, it can be seen that, for example, in order to realize the diffraction angle θ ≧ 10 °, it is necessary to satisfy Λ ≦ 6λ. In other words, it is desirable that the period Λ of the diffraction grating is 6 times or less the wavelength λ. Thereby, the diffraction angle θ ≧ 10 ° can be realized. Further, referring to the part (c) of FIG. 16, it can be seen that, for example, in order to realize the diffraction angle θ ≧ 30 °, it is necessary to satisfy Λ ≦ 2λ. In other words, it is desirable that the period Λ of the diffraction grating is not more than twice the wavelength λ. Thereby, the diffraction angle θ ≧ 30 ° can be realized.

図17は、ピッチLを波長λで規格化したときのピッチLと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。図17の(a)部は回折角θ=0°〜70°のグラフを示し、図17の(b)部はそのうちピッチL=0〜2λの部分を拡大して示す。図17の(a)部を参照すると、ピッチLが4λよりも大きい場合、回折角θは5°未満となる。また、図17の(b)部を参照すると、L=0.355λのときθ=70°、L=0.435λのときθ=50°、L=0.667λのときθ=30°、L=0.975λのときθ=20°、L=1.920λのときθ=10°となる。 FIG. 17 is a graph showing the relationship between the pitch L and the diffraction angle θ (provided that m = 1) when the pitch L is normalized by the wavelength λ. Part (a) of FIG. 17 shows a graph with a diffraction angle θ = 0 ° to 70 °, and part (b) of FIG. 17 shows an enlarged portion of the pitch L = 0 to 2λ. Referring to the part (a) of FIG. 17, when the pitch L is larger than 4λ, the diffraction angle θ is less than 5 °. Further, referring to the part (b) of FIG. 17, when L = 0.355λ, θ = 70 °, when L = 0.435λ, θ = 50 °, and when L = 0.667λ, θ = 30 °, L. When = 0.975λ, θ = 20 °, and when L = 1.920λ, θ = 10 °.

図18は、一例として波長λ=532nmである場合における、ピッチLと回折角θとの関係(但しm=1)を示すグラフである。図18の(a)部は回折角θ=0°〜70°のグラフを示し、図18の(b)部はそのうちピッチL=0nm〜1000nmの部分を拡大して示す。図18の(a)部を参照すると、ピッチLが2μmよりも大きい場合、回折角θは5°未満となる。また、図18の(b)部を参照すると、L=188.7nmのときθ=70°、L=231.5nmのときθ=50°、L=354.7nmのときθ=30°、L=518.5nmのときθ=20°、L=1021.2nmのときθ=10°となる。 FIG. 18 is a graph showing the relationship between the pitch L and the diffraction angle θ (provided that m = 1) when the wavelength λ = 532 nm as an example. Part (a) of FIG. 18 shows a graph with a diffraction angle θ = 0 ° to 70 °, and part (b) of FIG. 18 shows an enlarged portion of the pitch L = 0 nm to 1000 nm. Referring to the part (a) of FIG. 18, when the pitch L is larger than 2 μm, the diffraction angle θ is less than 5 °. Further, referring to the part (b) of FIG. 18, when L = 188.7 nm, θ = 70 °, when L = 231.5 nm, θ = 50 °, when L = 354.7 nm, θ = 30 °, L. When = 518.5 nm, θ = 20 °, and when L = 1021.2 nm, θ = 10 °.

ここで、上述した設計上の回折角θとは異なる他の回折角の有無を検討する。図19は、図15に示した回折角θと各領域P1〜P3の位相変調量との関係をより詳細に示す図である。同図に示すように、或るユニットPUの領域P1の位相変調量が0°、領域P2の位相変調量が(1/3)Λsinθ=Lsinθ=(1/3)mλ、領域P3の位相変調量が(2/3)Λsinθ=2Lsinθ=(2/3)mλ、隣接するユニットPUの領域P1の位相変調量がΛsinθ=3Lsinθ=mλであるとき、互いに隣接する画素同士の同一タイミングでの(すなわちmの値が等しい)波面B1と主面3aとのなす角(すなわち回折角)はθとなる。しかしながら、互いに隣接する画素同士の非同一タイミングでの(すなわちmの値が異なる)波面と主面3aとのなす角は、別の回折角となり得る。図20に示す例では、領域P2から生じる或るタイミングでの波と、領域P1から生じる1つ前のタイミングでの波とにより生成される波面B3が示されており、この波面B3と主面3aとのなす角θBの大きさは、上述した回折角θとは異なる。なお、この角θBは、次の数式(3)を満たす。

Figure 2021196553

このことを一般化すると、隣接領域のn個前(nは整数)の波との強め合いによって
Figure 2021196553

を満たす回折角θBを有する波面B3が生じる。 Here, the presence or absence of another diffraction angle different from the above-mentioned design diffraction angle θ is examined. FIG. 19 is a diagram showing in more detail the relationship between the diffraction angle θ shown in FIG. 15 and the phase modulation amount of each region P 1 to P 3. As shown in the figure, the phase modulation amount of area P 1 of a certain unit PU 0 °, the phase modulation amount of area P 2 is (1/3) Λsinθ = Lsinθ = ( 1/3) mλ, region P 3 phase modulation amount (2/3) Λsinθ = 2Lsinθ = ( 2/3) mλ, when the phase modulation amount of area P 1 of the adjacent unit PU is Λsinθ = 3Lsinθ = mλ, same pixel adjacent to each other The angle (that is, the diffraction angle) formed by the wave surface B1 and the main surface 3a at the timing (that is, the values of m are equal) is θ. However, the angle formed by the wavefront and the main surface 3a at non-identical timings (that is, the values of m are different) between adjacent pixels can be different diffraction angles. In the example shown in FIG. 20, and wave at certain timing arising from the region P 2, there is shown a wavefront B3 generated by the wave in the previous timing arising from the region P 1, and the wavefront B3 The magnitude of the angle θ B formed by the main surface 3a is different from the above-mentioned diffraction angle θ. It should be noted that this angle θ B satisfies the following mathematical formula (3).
Figure 2021196553

To generalize this, by strengthening with the wave n before (n is an integer) in the adjacent region.
Figure 2021196553

A wavefront B3 having a diffraction angle θ B that satisfies the condition is generated.

次に、任意の回折角θを実現するためのピッチLと隣接領域間の位相差との関係について説明する。図21の(a)部は、一例として波長λが532nmである場合における、上式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。図21の(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。これらの図には、m=1〜5のそれぞれに対応する5つのグラフが示されている。図22は、隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。これらのグラフに基づけば、例えばm=1において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=276nmとすればよく、或いは、m=2において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=552nmとすればよいことがわかる。 Next, the relationship between the pitch L and the phase difference between adjacent regions for realizing an arbitrary diffraction angle θ will be described. Part (a) of FIG. 21 is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the above equation (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 532 nm as an example. Part (b) of FIG. 21 is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. In these figures, five graphs corresponding to each of m = 1 to 5 are shown. FIG. 22 is a graph plotting the correlation between the phase difference between adjacent regions and the m value. Based on these graphs, for example, in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 1, the pitch L = 276 nm may be set, or in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 2. It can be seen that the pitch L = 552 nm should be set.

図23は、波長λ=532nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを下記の数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。なお、隣接領域の位相差δφを2π/3とした。n=0である場合の回折角θBは、回折角θと一致する。

Figure 2021196553
In FIG. 23, when the wavelength λ = 532 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and the pitch L is further substituted into the following equation (5). It is a figure which shows the result of having obtained the diffraction angle θ B. The phase difference δφ in the adjacent region was set to 2π / 3. The diffraction angle θ B when n = 0 coincides with the diffraction angle θ.
Figure 2021196553

別の例として、図24の(a)部は、波長λが467nmである場合における、上式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。図24の(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。これらの図には、m=1〜5のそれぞれに対応する5つのグラフが示されている。図25は、隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。これらのグラフに基づけば、例えばm=1において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=242nmとすればよく、或いは、m=2において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=484nmとすればよいことがわかる。 As another example, the part (a) in FIG. 24 is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the above equation (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 467 nm. Part (b) of FIG. 24 is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. In these figures, five graphs corresponding to each of m = 1 to 5 are shown. FIG. 25 is a graph plotting the correlation between the phase difference between adjacent regions and the m value. Based on these graphs, for example, in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 1, the pitch L = 242 nm may be set, or in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 2. It can be seen that the pitch L = 484 nm should be set.

図26は、波長λ=467nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを上記の数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。なお、隣接領域の位相差φを2π/3とした。n=0である場合の回折角θBは、回折角θと一致する。 In FIG. 26, when the wavelength λ = 467 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and the pitch L is further substituted into the above equation (5). It is a figure which shows the result of having obtained the diffraction angle θ B. The phase difference φ in the adjacent region was set to 2π / 3. The diffraction angle θ B when n = 0 coincides with the diffraction angle θ.

更に別の例として、図27の(a)部は、波長λが630nmである場合における、上式(2)を満たすピッチLと回折角θとの関係を示すグラフである。図27の(b)部は、(a)部のグラフのうちピッチLが2μmまでの部分を拡大して示すグラフである。これらの図には、m=1〜5のそれぞれに対応する5つのグラフが示されている。図28は、隣接領域間の位相差とm値との相関をプロットしたグラフである。これらのグラフに基づけば、例えばm=1において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=327nmとすればよく、或いは、m=2において回折角θ=40°を実現するためにはピッチL=653nmとすればよいことがわかる。 As yet another example, the part (a) in FIG. 27 is a graph showing the relationship between the pitch L satisfying the above equation (2) and the diffraction angle θ when the wavelength λ is 630 nm. Part (b) of FIG. 27 is a graph showing an enlarged portion of the graph of part (a) where the pitch L is up to 2 μm. In these figures, five graphs corresponding to each of m = 1 to 5 are shown. FIG. 28 is a graph plotting the correlation between the phase difference between adjacent regions and the m value. Based on these graphs, for example, in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 1, the pitch L = 327 nm may be set, or in order to realize a diffraction angle θ = 40 ° at m = 2. It can be seen that the pitch L = 653 nm should be set.

図29は、波長λ=630nmである場合において、設計上の回折角θを与えたときに数式(2)を満たすピッチLを求め、更に、ピッチLを上記の数式(5)に代入して回折角θBを求めた結果を示す図表である。なお、隣接領域の位相差φを2π/3とした。n=0である場合の回折角θBは、回折角θと一致する。 In FIG. 29, when the wavelength λ = 630 nm, the pitch L satisfying the equation (2) is obtained when the design diffraction angle θ is given, and the pitch L is further substituted into the above equation (5). It is a figure which shows the result of having obtained the diffraction angle θ B. The phase difference φ in the adjacent region was set to 2π / 3. The diffraction angle θ B when n = 0 coincides with the diffraction angle θ.

図30の(a)部は、上記の検討結果に基づく好適な回折格子の例を示す図である。図30の(b)部は、(a)部を部分的に拡大して示す図である。なお、これらの図においては、位相変調量を色の濃淡で示し、位相変調量が大きい領域ほど淡い色で、位相変調量が小さい領域ほど濃い色で示している。同図に示すように、この回折格子においては、位相変調量が0である領域Faと、位相変調量が2π/3(rad)である領域Fbと、位相変調量が4π/3(rad)である領域Fcとが、それぞれの短手方向において、この順で並んで繰り返し配列されている。一例では、回折格子の配列方向における各領域Fa〜Fcの幅(すなわちピッチL)は、518nmである。この場合、図23に示すように、波長λ=532nmの光E1が、43.2°および−20.0°の回折角θ,θBにて偏向する。 Part (a) of FIG. 30 is a diagram showing an example of a suitable diffraction grating based on the above examination results. Part (b) of FIG. 30 is a partially enlarged view of part (a). In these figures, the phase modulation amount is shown by the shade of color, the region where the phase modulation amount is large is shown by a light color, and the region where the phase modulation amount is small is shown by a dark color. As shown in the figure, in this diffraction grating, the region Fa where the phase modulation amount is 0, the region Fb where the phase modulation amount is 2π / 3 (rad), and the phase modulation amount are 4π / 3 (rad). The region Fc, which is, is repeatedly arranged side by side in this order in each lateral direction. In one example, the width (ie, pitch L) of each region Fa to Fc in the arrangement direction of the diffraction grating is 518 nm. In this case, as shown in FIG. 23, the light E1 having a wavelength of λ = 532 nm is deflected at the diffraction angles θ and θ B of 43.2 ° and -20.0 °.

空間光変調器3の位相変調による回折格子を精度良く実現するためには、空間光変調器3における位相変調量とアドレス光E2の光強度との関係(γ特性)を予め求めておくとよい。図31は、空間光変調器3における位相変調量とアドレス光E2の光強度との関係を概念的に示すグラフである。同図に示すように、空間光変調器3の位相変調量とアドレス光E2の光強度との関係は、多くの場合、非線形である。 In order to accurately realize a diffraction grating by phase modulation of the spatial light modulator 3, it is preferable to obtain in advance the relationship (γ characteristic) between the phase modulation amount in the spatial light modulator 3 and the light intensity of the address light E2. .. FIG. 31 is a graph conceptually showing the relationship between the phase modulation amount in the spatial light modulator 3 and the light intensity of the address light E2. As shown in the figure, the relationship between the phase modulation amount of the spatial light modulator 3 and the light intensity of the address light E2 is often non-linear.

アドレス光E2に含まれる回折格子パターンは、図8に示した発光面42aの発光領域42b,42cから出射される光の強度を調整することによって実現される。発光領域42b,42cの光強度の調整は、発光領域42b,42cそれぞれに供給する駆動電流の増減により行ってもよく、或いは、図32の(a)部に示すような遮光パターン80を含む遮光膜(または遮光板)を用いて発光領域42b,42cを覆うことにより行ってもよい。なお、図32の(a)部に示す遮光パターンは、互いに離間した複数の遮光領域81を含んで構成され、複数の遮光領域81は、三角格子または正方格子といった種々の格子の格子点上に位置する。遮光領域81の平面形状は、図32の(b)部に示すように円形であってもよく、或いは、図32の(c)部に示すように四角形(例えば正方形または長方形)であってもよい。または、遮光領域81の平面形状は、他の様々な形状であってもよい。複数の遮光領域81が占める面積割合(すなわち各遮光領域81の大きさ及び間隔)を調整することにより、発光領域42b,42cから出射される光の強度を調整することができる。なお、光の回折を抑制するために、互いに隣り合う遮光領域81同士の中心間隔(ピッチ)は、アドレス光E2の波長以下であるとよい。図32の(d)部は、遮光膜の一例を示す平面図である。この例では、図9〜図12に示した領域E2bに対応する遮光膜の領域Abに上記の遮光パターン80を適用している。この例に限られず、領域Abに加えて、領域E2aに対応する遮光膜の領域Aa、および領域E2cに対応する遮光膜の領域Acのうち少なくとも一方に対して遮光パターン80を適用してもよい。 The diffraction grating pattern included in the address light E2 is realized by adjusting the intensity of the light emitted from the light emitting regions 42b and 42c of the light emitting surface 42a shown in FIG. The light intensity of the light emitting regions 42b and 42c may be adjusted by increasing or decreasing the drive current supplied to each of the light emitting regions 42b and 42c, or the light shielding pattern 80 including the light shielding pattern 80 as shown in the part (a) of FIG. 32 may be used. This may be done by covering the light emitting regions 42b and 42c with a film (or a light shielding plate). The light-shielding pattern shown in part (a) of FIG. 32 includes a plurality of light-shielding regions 81 separated from each other, and the plurality of light-shielding regions 81 are placed on grid points of various grids such as a triangular grid or a square grid. To position. The planar shape of the light-shielding region 81 may be circular as shown in the part (b) of FIG. 32, or may be a quadrangle (for example, a square or a rectangle) as shown in the part (c) of FIG. 32. good. Alternatively, the planar shape of the light-shielding region 81 may be various other shapes. By adjusting the area ratio occupied by the plurality of light-shielding regions 81 (that is, the size and spacing of each light-shielding region 81), the intensity of the light emitted from the light emitting regions 42b and 42c can be adjusted. In order to suppress the diffraction of light, the center spacing (pitch) between the light-shielding regions 81 adjacent to each other is preferably equal to or less than the wavelength of the address light E2. Part (d) of FIG. 32 is a plan view showing an example of a light-shielding film. In this example, the light-shielding pattern 80 is applied to the light-shielding film region Ab corresponding to the region E2b shown in FIGS. 9 to 12. Not limited to this example, in addition to the region Ab, the light-shielding pattern 80 may be applied to at least one of the region Aa of the light-shielding film corresponding to the region E2a and the region Ac of the light-shielding film corresponding to the region E2c. ..

以上の説明では、回折格子が、位相変調量が小さい(或いは位相変調量が略ゼロである)領域Faと、位相変調量がやや大きい領域Fbと、位相変調量が大きい領域Fcとを含み、これら3つの領域Fa〜Fcが短手方向において順に繰り返し並ぶことによって回折格子が構成される場合を例示した。この場合、アドレス光E2の回折格子パターンは、光強度が或る方向に周期的に変化する構成を有し、各周期内において光強度は段階的且つ単調に強くなるか或いは弱くなり、各周期内における光強度が互いに異なる領域E2a〜E2cの数は3であり、光強度は2段階で変化する。しかしながら、回折格子及びアドレス光E2はこのような形態に限られるものではない。回折格子は、長手方向を有するN個(Nは3以上の整数)の領域が短手方向に順に繰り返し並ぶことによって構成され、該N個の領域の並び方向における一端から他端にかけて、位相変調量が単調に変化してもよい。換言すると、アドレス光E2の回折格子パターンは、長手方向を有するN個の領域が短手方向に順に繰り返し並ぶことによって構成され、各繰り返し周期内において光強度は段階的に強くなるか或いは弱くなり、各周期内における光強度が互いに異なる領域の数はNであり、各繰り返し周期内において光強度は(N−1)段階で変化してもよい。この場合であっても、二次元光像の所望の偏向方向とは逆方向への偏向(図14を参照)を低減し、立体画像をより明瞭に出力することかできる。 In the above description, the diffraction grating includes a region Fa having a small phase modulation amount (or a phase modulation amount of substantially zero), a region Fb having a slightly large phase modulation amount, and a region Fc having a large phase modulation amount. An example is shown in which a diffraction grating is formed by repeatedly arranging these three regions Fa to Fc in order in the lateral direction. In this case, the diffraction grating pattern of the address light E2 has a configuration in which the light intensity changes periodically in a certain direction, and the light intensity gradually and monotonically increases or decreases in each period, and each period. The number of regions E2a to E2c in which the light intensities are different from each other is 3, and the light intensity changes in two steps. However, the diffraction grating and the address light E2 are not limited to such a form. The diffraction grating is composed of N regions having a longitudinal direction (N is an integer of 3 or more) repeatedly arranged in the lateral direction, and phase modulation is performed from one end to the other end in the arrangement direction of the N regions. The amount may vary monotonically. In other words, the diffraction grating pattern of the address light E2 is composed of N regions having a longitudinal direction repeatedly arranged in the lateral direction in order, and the light intensity gradually increases or decreases in each repetition period. The number of regions in which the light intensities differ from each other in each cycle is N, and the light intensity may change in the (N-1) step in each repetition cycle. Even in this case, it is possible to reduce the deflection of the two-dimensional optical image in the direction opposite to the desired deflection direction (see FIG. 14) and output the stereoscopic image more clearly.

ここで、図33及び図34は、回折格子を構成する各領域における位相変調量の決定方法を概念的に示す図である。なお、図示例の回折格子において、各ユニットPUは4個の領域P1〜P4を含むものとする(すなわちN=4)。これらの図において、横軸は回折格子の周期方向(領域P1〜P4の並び方向)における位置を表し、縦軸は出力位相を表す。回折格子を実現する際には、図33の(a)部、及び図34の(a)部に示すように、回折方向において出力位相を単調増加とするとよい。一例として、これらの図には、出力位相が回折方向において線形に変化する場合を示している。そして、実際には、各領域P1〜P4の位相変調量を、出力位相を2πで除算したときの剰余とするとよい。図33の(a)部、及び図34の(a)部には、出力位相を2πで除算したときの剰余が灰色に色付けされている。また、図33の(b)部、及び図34の(b)部には、各領域P1〜P4の位相変調量が示されている。各ユニットPUの位相変調量を揃えるためには、互いに隣接するユニットPUの出力位相の位相差は2πの整数倍であることが好ましく、2πであることがより好ましい。これは、互いに隣接するユニットPUの出力位相の位相差が2πの整数倍でない場合、ユニットPUの周期に起因する回折光が高次の成分まで生じ、微弱ながらノイズ光として光E1に重畳するからである。 Here, FIGS. 33 and 34 are diagrams conceptually showing a method of determining the amount of phase modulation in each region constituting the diffraction grating. Incidentally, in the diffraction grating of the illustrated example, each unit PU is intended to include four regions P 1 to P 4 (i.e. N = 4). In these figures, the horizontal axis represents the position in the periodic direction of the diffraction grating (alignment direction of the region P 1 to P 4), the vertical axis represents the output phase. When realizing the diffraction grating, it is preferable to monotonically increase the output phase in the diffraction direction as shown in the part (a) of FIG. 33 and the part (a) of FIG. 34. As an example, these figures show the case where the output phase changes linearly in the diffraction direction. Then, in practice, the phase modulation amount in each region P 1 to P 4 may be the remainder when the output phase is divided by 2π. In the part (a) of FIG. 33 and the part (a) of FIG. 34, the remainder when the output phase is divided by 2π is colored in gray. Also, part (b) of FIG. 33, and part (b) of FIG. 34 is a phase modulation amount of each region P 1 to P 4 are shown. In order to make the phase modulation amounts of the unit PUs uniform, the phase difference between the output phases of the unit PUs adjacent to each other is preferably an integral multiple of 2π, and more preferably 2π. This is because if the phase difference between the output phases of the unit PUs adjacent to each other is not an integral multiple of 2π, diffracted light due to the period of the unit PU is generated up to higher-order components and is superimposed on the light E1 as weak noise light. Is.

また、上述したように、空間光変調器3による光E1の回折角は光E1の波長に依存する。従って、光E1に複数の波長成分が含まれる場合には、波長成分毎に回折角が異なり、観察者Aに提示する各波長成分の光像が互いにずれてしまう。そこで、光E1に複数の波長成分が含まれる場合には、各波長成分を同時ではなく極めて短い周期でもって順に照射し、各波長成分に応じて格子間隔を変化させることにより回折角を一定に保つとよい。 Further, as described above, the diffraction angle of the light E1 by the spatial light modulator 3 depends on the wavelength of the light E1. Therefore, when the light E1 contains a plurality of wavelength components, the diffraction angle differs for each wavelength component, and the optical images of the wavelength components presented to the observer A are displaced from each other. Therefore, when light E1 contains a plurality of wavelength components, the light E1 is irradiated with each wavelength component in order not at the same time but with an extremely short period, and the lattice spacing is changed according to each wavelength component to make the diffraction angle constant. You should keep it.

また、本実施形態では、空間光変調器3の各画素30がアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有するが、画素30毎に独立した電極を配置して各電極に個別に電圧を印加することによっても同様の機能を実現できる。しかしながら、観察者Aの眼Aaの高さに光像を提供するためには、例えば30°以上といった比較的大きな回折角が望まれる。その場合、回折格子を構成する各領域のピッチLは1μm〜数μm程度と極めて小さく、空間光変調器3の画素30の配列ピッチはこのピッチL以下である必要があるので、電極の配列ピッチが極めて小さくなり、駆動回路に要する面積を考慮すると実現が困難である。本実施形態のように、画素30がアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有することによって、各電極と個別に接続される配線が不要となり、画素30の配列ピッチを小さくして比較的大きな回折角を実現することができる。 Further, in the present embodiment, each pixel 30 of the spatial light modulator 3 has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light E2, but an independent electrode is arranged for each pixel 30 and is attached to each electrode. The same function can be realized by applying a voltage individually. However, in order to provide an optical image at the height of the eye Aa of the observer A, a relatively large diffraction angle such as 30 ° or more is desired. In that case, the pitch L of each region constituting the diffraction grating is extremely small, about 1 μm to several μm, and the arrangement pitch of the pixels 30 of the spatial light modulator 3 needs to be equal to or less than this pitch L. Is extremely small, and it is difficult to realize it considering the area required for the drive circuit. As in the present embodiment, since the pixel 30 has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light E2, wiring individually connected to each electrode becomes unnecessary, and the arrangement pitch of the pixel 30 is reduced. Therefore, a relatively large diffraction angle can be realized.

(第1変形例)
図35の(a)部及び(b)部は、上記実施形態の第1変形例の構成を示す図である。上記実施形態の画像出力装置1Aは、図1に示した高速プロジェクタ2Aに代えて、図35の(a)部に示すマイクロLEDパネル2Bを備えてもよい。マイクロLEDパネル2Bは、本変形例における画像照射部の例であり、空間光変調器3の主面3aに対して二次元光像を含む光E1を照射する、自発光型の高精細ディスプレイである。本変形例においても、主面3aに対する光E1の入射方向は、空間光変調器3の主面3aの法線方向と一致する。マイクロLEDパネル2Bの出力波長およびフレームレートは、上記第1実施形態の高速プロジェクタ2Aと同様である。
(First modification)
Part (a) and part (b) of FIG. 35 are views showing the configuration of the first modification of the above embodiment. The image output device 1A of the above embodiment may include the micro LED panel 2B shown in the part (a) of FIG. 35 instead of the high-speed projector 2A shown in FIG. The micro LED panel 2B is an example of the image irradiation unit in this modification, and is a self-luminous high-definition display that irradiates the main surface 3a of the spatial light modulator 3 with light E1 including a two-dimensional optical image. be. Also in this modification, the incident direction of the light E1 with respect to the main surface 3a coincides with the normal direction of the main surface 3a of the spatial light modulator 3. The output wavelength and frame rate of the micro LED panel 2B are the same as those of the high-speed projector 2A of the first embodiment.

マイクロLEDパネル2Bと空間光変調器3との間の光路上には、フィルタ15が設けられる。フィルタ15の構成及び作用は第1実施形態と同様である。なお、本変形例では、第1実施形態のレンズ16(図2を参照)は配置されなくてもよい。マイクロLEDパネル2Bからの光は、そのまま観察しても観察者Aの眼Aaの網膜に結像するからである。 A filter 15 is provided on the optical path between the micro LED panel 2B and the spatial light modulator 3. The configuration and operation of the filter 15 are the same as those in the first embodiment. In this modification, the lens 16 of the first embodiment (see FIG. 2) may not be arranged. This is because the light from the micro LED panel 2B forms an image on the retina of the eye Aa of the observer A even if it is observed as it is.

また、上記実施形態の画像出力装置1Aは、図1に示した高速プロジェクタ2Aに代えて、図35の(b)部に示す複数(図示例では3つ)の高速プロジェクタ2C〜2Eと、波長合成部21とを備えてもよい。高速プロジェクタ2C〜2Eは、単一波長の二次元光像を出力する装置であって、それぞれの出力波長は互いに異なる。一例では、高速プロジェクタ2Cは赤色域の二次元光像を出力し、高速プロジェクタ2Dは緑色域の二次元光像を出力し、高速プロジェクタ2Eは青色域の二次元光像を出力する。高速プロジェクタ2C〜2Eは、それぞれ個別に、波長合成部21と光学的に結合されている。波長合成部21は、例えばクロスダイクロイックプリズムであり、高速プロジェクタ2C〜2Eから出力された二次元光像を合成して、光E1として出力する。クロスダイクロイックプリズムは、青色域の光を反射し緑色域の光を透過する第1の多層膜と、赤色域の光を反射し緑色域の光を透過する第2の多層膜とを有し、第1及び第2の多層膜がX型に組み合わされてなる。 Further, the image output device 1A of the above embodiment replaces the high-speed projector 2A shown in FIG. 1 with a plurality of (three in the illustrated example) high-speed projectors 2C to 2E shown in part (b) of FIG. 35 and wavelengths. It may be provided with a synthesis unit 21. The high-speed projectors 2C to 2E are devices that output a two-dimensional optical image having a single wavelength, and their output wavelengths are different from each other. In one example, the high-speed projector 2C outputs a two-dimensional light image in the red region, the high-speed projector 2D outputs a two-dimensional light image in the green region, and the high-speed projector 2E outputs a two-dimensional light image in the blue region. The high-speed projectors 2C to 2E are individually optically coupled to the wavelength synthesizer 21. The wavelength synthesis unit 21 is, for example, a cross dichroic prism, and synthesizes a two-dimensional optical image output from the high-speed projectors 2C to 2E and outputs it as light E1. The cross-dichroic prism has a first multilayer film that reflects light in the blue region and transmits light in the green region, and a second multilayer film that reflects light in the red region and transmits light in the green region. The first and second multilayer films are combined in an X shape.

例えば本変形例のように、画像照射部は上記実施形態に限られず様々な構成を有することができる。画像出力装置1Aは、空間光変調器3の主面3aに対して二次元光像を含む光E1を照射する種々の画像照射部を備えることによって、上記実施形態の効果を奏することができる。また、図35の(b)部に示した例のように複数の高速プロジェクタからの光を合成することにより、実効的に高速プロジェクタの個数倍の高速化が可能となる。 For example, as in the present modification, the image irradiation unit can have various configurations without being limited to the above embodiment. The image output device 1A can achieve the effect of the above embodiment by providing various image irradiation units for irradiating the main surface 3a of the spatial light modulator 3 with light E1 including a two-dimensional optical image. Further, by synthesizing the light from a plurality of high-speed projectors as in the example shown in the part (b) of FIG. 35, it is possible to effectively increase the speed by several times that of the high-speed projectors.

(第2変形例)
図36の(a)部は、上記実施形態の第2変形例として、アドレス光照射部4Bの構成を示す側断面図であって、空間光変調器3の裏面3bの法線を含む断面を示す。図36の(b)部は、アドレス光照射部4Bが有する発光装置41及び光学部材44の平面図であって、空間光変調器3の裏面3bの法線方向から見た発光装置41及び光学部材44の構成を示す。
(Second modification)
Part (a) of FIG. 36 is a side sectional view showing the configuration of the address light irradiation unit 4B as a second modification of the above embodiment, and is a cross-sectional view including the normal of the back surface 3b of the spatial light modulator 3. show. Part (b) of FIG. 36 is a plan view of the light emitting device 41 and the optical member 44 included in the address light irradiation unit 4B, and is a light emitting device 41 and optics seen from the normal direction of the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The configuration of the member 44 is shown.

アドレス光照射部4Bは、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。アドレス光照射部4Bは、上記実施形態と同様の発光装置41を有するとともに、上記実施形態の光学系43(図2を参照)に代えて、光学部材44及び結像レンズ45を含む光学系を有する。光学部材44は、円環状の発光装置41の中心に配置された凹面鏡44aを有する。結像レンズ45は、光学部材44と空間光変調器3の裏面3bとの間に配置されている。凹面鏡44a及び結像レンズ45は、発光装置41の複数の発光部42と、空間光変調器3の裏面3bとを光学的に結合する。具体的には、凹面鏡44aは、発光部42から出射されたアドレス光E2を空間光変調器3の裏面3bに向けて反射する。凹面鏡44a及び結像レンズ45は、協働して、アドレス光E2に含まれる回折格子パターンを裏面3bに結像する。また、凹面鏡44aは、発光部42の縦方向のみ選択的に拡大する曲率を有する。これにより、発光部42の縦方向の長さを小さくすることが可能となる。なお、発光部42の縦方向のみ選択的に拡大するために、各発光部42の発光面42a上にシリンドリカルレンズ(不図示)を配置してもよい。シリンドリカルレンズは、サブ波長要素により構成されるメタレンズを用いて実現されてもよい。 The address light irradiation unit 4B irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4B has a light emitting device 41 similar to that of the above embodiment, and instead of the optical system 43 of the above embodiment (see FIG. 2), an optical system including an optical member 44 and an imaging lens 45 is provided. Have. The optical member 44 has a concave mirror 44a arranged in the center of the annular light emitting device 41. The imaging lens 45 is arranged between the optical member 44 and the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The concave mirror 44a and the imaging lens 45 optically couple the plurality of light emitting units 42 of the light emitting device 41 with the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Specifically, the concave mirror 44a reflects the address light E2 emitted from the light emitting unit 42 toward the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The concave mirror 44a and the imaging lens 45 cooperate to form an image of the diffraction grating pattern included in the address light E2 on the back surface 3b. Further, the concave mirror 44a has a curvature that selectively expands only in the vertical direction of the light emitting portion 42. This makes it possible to reduce the length of the light emitting unit 42 in the vertical direction. A cylindrical lens (not shown) may be arranged on the light emitting surface 42a of each light emitting unit 42 in order to selectively enlarge only the light emitting unit 42 in the vertical direction. The cylindrical lens may be realized by using a metal lens composed of sub-wavelength elements.

光学部材44には、回転軸402を介して回転駆動部401が取り付けられている。回転軸402は、裏面3bの法線方向に延在し、回転駆動部401からの駆動力によって、裏面3bの法線方向に沿った軸周りに回動する。これにより、凹面鏡44aの向きが動的に変化し、複数の発光部42の中から選択された、所望の回折格子パターンの向きに対応する一部の発光部42からのアドレス光E2が、空間光変調器3の裏面3bに入力される。従って、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを動的に変化させることが可能となる。一例では、回転軸402は回転駆動部401からの駆動力によって一方向への回転動作を行う。その場合、回折格子パターンは裏面3bにおいて一方向に回転する。 A rotation drive unit 401 is attached to the optical member 44 via a rotation shaft 402. The rotation shaft 402 extends in the normal direction of the back surface 3b, and is rotated around the axis along the normal direction of the back surface 3b by the driving force from the rotation drive unit 401. As a result, the orientation of the concave mirror 44a is dynamically changed, and the address light E2 from a part of the light emitting portions 42 corresponding to the orientation of the desired diffraction grating pattern selected from the plurality of light emitting portions 42 is spatial. It is input to the back surface 3b of the optical modulator 3. Therefore, it is possible to dynamically change the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b. In one example, the rotary shaft 402 rotates in one direction by the driving force from the rotary drive unit 401. In that case, the diffraction grating pattern rotates in one direction on the back surface 3b.

上記実施形態の画像出力装置1Aは、本変形例のアドレス光照射部4Bを備える場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、上記実施形態では、複数の発光部42の中から選択された、所望の回折格子パターンの向きに対応する一部の発光部42がアドレス光E2を出力するが、本変形例では、上記実施形態と同様であってもよいし、複数の発光部42の全てがアドレス光E2を常に出力してもよい。 Even when the image output device 1A of the above embodiment is provided with the address light irradiation unit 4B of this modification, the same effect as that of the above embodiment can be obtained. In the above embodiment, a part of the light emitting units 42 selected from the plurality of light emitting units 42 corresponding to the direction of the desired diffraction grating pattern outputs the address light E2, but in this modification, the above It may be the same as the embodiment, or all of the plurality of light emitting units 42 may always output the address light E2.

(第3変形例)
図37の(a)部は、上記実施形態の第3変形例として、アドレス光照射部4Cの構成を示す側断面図であって、空間光変調器3の裏面3bの法線方向に沿った断面を示す。図37の(b)部は、アドレス光照射部4Cが有する発光装置46の平面図であって、空間光変調器3の裏面3bの法線方向から見た発光装置46の構成を示す。図37の(c)部は、(b)部のI−I線に沿った発光装置46の断面を示す図である。
(Third modification example)
Part (a) of FIG. 37 is a side sectional view showing the configuration of the address light irradiation unit 4C as a third modification of the above embodiment, and is along the normal direction of the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The cross section is shown. Part (b) of FIG. 37 is a plan view of the light emitting device 46 included in the address light irradiation unit 4C, and shows the configuration of the light emitting device 46 seen from the normal direction of the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Part (c) of FIG. 37 is a diagram showing a cross section of the light emitting device 46 along the line I-I of part (b).

アドレス光照射部4Cは、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。本変形例のアドレス光照射部4Cは、発光装置46及び光学系47を有する。発光装置46は、円板状を呈しており、主面46a、及び主面46aとは反対側の裏面46eを有する。また、発光装置46は、主面46aに設けられた発光部46bを有する。発光部46bの平面形状は、円周に沿って設けられた円環状を呈する。この円環の中心軸は、空間光変調器3の画素群の中心軸と一致する。図37の(c)部に示すように、発光部46bは、同心円状に並ぶ複数の発光領域46cを含む。このような同心円状の複数の発光領域46cを有することにより、発光部46bは、円周の径方向を周期方向とする回折格子パターンを含むアドレス光E2を出力可能となっている。複数の発光領域46cは、例えば発光ダイオード、面発光レーザなどの面発光型の半導体発光素子によって好適に構成され得る。面発光レーザは、VCSEL、PCSEL、またはS−iPMレーザ(後述)であってもよい。 The address light irradiation unit 4C irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4C of this modification has a light emitting device 46 and an optical system 47. The light emitting device 46 has a disk shape and has a main surface 46a and a back surface 46e opposite to the main surface 46a. Further, the light emitting device 46 has a light emitting unit 46b provided on the main surface 46a. The planar shape of the light emitting portion 46b exhibits an annular shape provided along the circumference. The central axis of this circle coincides with the central axis of the pixel group of the spatial light modulator 3. As shown in the part (c) of FIG. 37, the light emitting part 46b includes a plurality of light emitting regions 46c arranged concentrically. By having such a plurality of concentric light emitting regions 46c, the light emitting unit 46b can output the address light E2 including the diffraction grating pattern whose periodic direction is the radial direction of the circumference. The plurality of light emitting regions 46c may be suitably configured by a surface emitting type semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a surface emitting laser. The surface emitting laser may be a VCSEL, a PCSEL, or an S-iPM laser (described later).

また、図38の(a)部に示すように、発光部46bは、同心円状に並ぶ複数の発光領域46cに代えて、単一の円環状の発光領域46gを有してもよい。その場合、発光装置46は、遮光膜による周期構造46hを主面46a上に有するとよい。なお、図38の(b)部は、図38の(a)部のII−II線に沿った断面図である。周期構造46hは、発光領域46gの光出射面上に設けられ、回折格子パターンに応じて開口部及び遮光部を周期的に繰り返す。なお、図示例では、図9〜図12に示した領域E2a,領域E2bにそれぞれ対応する遮光部461,462と、領域E2cに対応する開口部463とが周期的に繰り返されている。発光領域46gは、例えば発光ダイオード、面発光レーザなどの面発光型の半導体発光素子によって好適に構成され得る。面発光レーザは、VCSEL、PCSEL、またはS−iPMレーザ(後述)であってもよい。 Further, as shown in the part (a) of FIG. 38, the light emitting part 46b may have a single annular light emitting region 46g instead of the plurality of concentric light emitting regions 46c. In that case, the light emitting device 46 may have a periodic structure 46h with a light-shielding film on the main surface 46a. The part (b) in FIG. 38 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the part (a) in FIG. 38. The periodic structure 46h is provided on the light emitting surface of the light emitting region 46g, and the opening and the light-shielding portion are periodically repeated according to the diffraction grating pattern. In the illustrated example, the light-shielding portions 461 and 462 corresponding to the regions E2a and E2b shown in FIGS. 9 to 12, respectively, and the opening 463 corresponding to the region E2c are periodically repeated. The light emitting region 46g may be suitably configured by a surface emitting type semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a surface emitting laser. The surface emitting laser may be a VCSEL, a PCSEL, or an S-iPM laser (described later).

また、発光部46bは、複数の要素電極46d及び主面46aに形成された導電膜46fを含む。一例では、導電膜46fは透明導電膜であり、アドレス光E2の波長に対して光透過性を有する。なお、図37の(b)部及び図38の(a)部では、代表して1つの要素電極46dのみを示す。複数の要素電極46dは、発光装置46の裏面46e上に設けられ、円周の周方向に並んで配置されている。一例では、各要素電極46dの平面形状は、発光部46bの円環の中心を中心点とする扇形である。これらの要素電極46dは、空間光変調器3の裏面3bにおける所望の回折格子パターンの向きに対応する発光部46bの部分において、導電膜46fとの間に駆動電流を供給することにより、アドレス光E2を選択的に発光させる。これにより、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを動的に変化させることが可能となる。一例では、周方向において各要素電極46dが順に発光部46bを発光させる。その場合、回折格子パターンは裏面3bにおいて一方向に回転する。 Further, the light emitting unit 46b includes a plurality of element electrodes 46d and a conductive film 46f formed on the main surface 46a. In one example, the conductive film 46f is a transparent conductive film and has light transmittance with respect to the wavelength of the address light E2. In addition, in the part (b) of FIG. 37 and the part (a) of FIG. 38, only one element electrode 46d is shown as a representative. The plurality of element electrodes 46d are provided on the back surface 46e of the light emitting device 46, and are arranged side by side in the circumferential direction of the circumference. In one example, the planar shape of each element electrode 46d is a fan shape centered on the center of the annulus of the light emitting portion 46b. These element electrodes 46d provide address light by supplying a drive current between the light emitting portion 46b and the conductive film 46f in the portion of the light emitting portion 46b corresponding to the direction of the desired diffraction grating pattern on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. E2 is selectively emitted. This makes it possible to dynamically change the orientation of the diffraction grating pattern on the back surface 3b. In one example, each element electrode 46d makes the light emitting unit 46b emit light in order in the circumferential direction. In that case, the diffraction grating pattern rotates in one direction on the back surface 3b.

光学系47は、発光装置46と空間光変調器3との間に配置され、発光部46bと空間光変調器3の裏面3bとを光学的に結合する。光学系47の光軸は、発光部46bの円環の中心軸と一致しており、円環の中心軸を含む断面における光学系47の形状は、例えば凸レンズを含む。或いは、円環の中心軸を含む断面における光学系47の形状は、メタレンズを含んでもよい。光学系47がメタレンズを含む場合、光学系47の光軸方向の厚さを薄くできる。なお、光学系47の形状はこれらに限られず、アドレス光E2を裏面3bに結像し得る形状であれば、他の様々な形状を採用し得る。 The optical system 47 is arranged between the light emitting device 46 and the spatial light modulator 3, and optically couples the light emitting unit 46b and the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The optical axis of the optical system 47 coincides with the central axis of the annulus of the light emitting portion 46b, and the shape of the optical system 47 in the cross section including the central axis of the annulus includes, for example, a convex lens. Alternatively, the shape of the optical system 47 in the cross section including the central axis of the annulus may include a metal lens. When the optical system 47 includes a metal lens, the thickness of the optical system 47 in the optical axis direction can be reduced. The shape of the optical system 47 is not limited to these, and various other shapes can be adopted as long as the address light E2 can be imaged on the back surface 3b.

上記実施形態のアドレス光照射部4Aは、本変形例のアドレス光照射部4Cに置き換えられてもよい。本変形例の構成によれば、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを動的に変化させるアドレス光照射部4Cを、アドレス光照射部4Aと異なり、円周に沿った組立てを要さず平面上のプロセス加工によって好適に実現することができる。なお、上記の例では複数の要素電極46dが発光装置46の裏面46e上に設けられているが、主面46a側の導電膜46fが複数の要素電極に分割され、裏面46e側には単一の電極が設けられてもよい。
(第4変形例)
The address light irradiation unit 4A of the above embodiment may be replaced with the address light irradiation unit 4C of this modification. According to the configuration of this modification, the address light irradiation unit 4C that dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b is on a flat surface without requiring assembly along the circumference, unlike the address light irradiation unit 4A. It can be suitably realized by the process processing of. In the above example, the plurality of element electrodes 46d are provided on the back surface 46e of the light emitting device 46, but the conductive film 46f on the main surface 46a side is divided into the plurality of element electrodes, and a single element electrode 46d is provided on the back surface 46e side. Electrodes may be provided.
(Fourth modification)

図39は、上記実施形態の第4変形例として、アドレス光照射部4Dの構成を概略的に示す図である。アドレス光照射部4Dは、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。本変形例のアドレス光照射部4Dは、レーザ光源403、ビームエキスパンダ404、偏光ビームスプリッタ405、半波長板(λ/2板)406、反射鏡407、傾斜鏡408、及び回転駆動部409を有する。 FIG. 39 is a diagram schematically showing the configuration of the address light irradiation unit 4D as a fourth modification of the above embodiment. The address light irradiation unit 4D irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4D of this modification includes a laser light source 403, a beam expander 404, a polarization beam splitter 405, a half-wave plate (λ / 2 plate) 406, a reflector 407, a tilt mirror 408, and a rotation drive unit 409. Have.

レーザ光源403は、アドレス光E2の波長と同一の波長を有するレーザ光E3を出力する。ビームエキスパンダ404は、レーザ光源403と光学的に結合され、レーザ光源403から出力されたレーザ光E3の光径を拡大し、平行化して出力する。 The laser light source 403 outputs the laser light E3 having the same wavelength as the wavelength of the address light E2. The beam expander 404 is optically coupled to the laser light source 403, expands the optical diameter of the laser beam E3 output from the laser light source 403, and outputs the laser beam 403 in parallel.

偏光ビームスプリッタ405は、本変形例における分岐部の例であって、レーザ光源403から出力されたレーザ光E3を2つのレーザ光E31,E32に分岐する。具体的には、偏光ビームスプリッタ405は、ビームエキスパンダ404を介してレーザ光源403と光学的に結合され、レーザ光源403から受けたレーザ光E3を、偏光方向に応じて2つのレーザ光E31,E32に分岐する。レーザ光E3の偏光方向は、偏光ビームスプリッタ405が透過特性を有する偏光方向に対して0°より大きく90°より小さい角度(例えば45°)で傾いている。従って、偏光ビームスプリッタ405が透過特性を有する偏光方向と平行なレーザ光E3の偏光成分は、偏光ビームスプリッタ405を透過してレーザ光E31となり、偏光ビームスプリッタ405が透過特性を有する偏光方向と直交するレーザ光E3の偏光成分は、偏光ビームスプリッタ405により反射してレーザ光E32となる。 The polarization beam splitter 405 is an example of a branching portion in this modification, and splits the laser beam E3 output from the laser light source 403 into two laser beams E31 and E32. Specifically, the polarizing beam splitter 405 is optically coupled to the laser light source 403 via the beam expander 404, and the laser light E3 received from the laser light source 403 is transferred to the two laser light E31, depending on the polarization direction. Branch to E32. The polarization direction of the laser beam E3 is tilted at an angle (for example, 45 °) larger than 0 ° and smaller than 90 ° with respect to the polarization direction in which the polarization beam splitter 405 has transmission characteristics. Therefore, the polarization component of the laser beam E3 parallel to the polarization direction in which the polarizing beam splitter 405 has transmission characteristics passes through the polarization beam splitter 405 to become the laser light E31, and is orthogonal to the polarization direction in which the polarization beam splitter 405 has transmission characteristics. The polarization component of the laser light E3 is reflected by the polarizing beam splitter 405 to become the laser light E32.

半波長板406は、偏光ビームスプリッタ405及びビームエキスパンダ404を介してレーザ光源403と光学的に結合され、偏光ビームスプリッタ405から出力されたレーザ光E31を受け、位相を180°変化させることによりレーザ光E31の偏光方向を90°回転させる。これにより、半波長板406を通過した後のレーザ光E31の偏光方向は、レーザ光E32の偏光方向と一致する。 The half-wave plate 406 is optically coupled to the laser light source 403 via the polarizing beam splitter 405 and the beam expander 404, receives the laser beam E31 output from the polarizing beam splitter 405, and changes the phase by 180 °. The polarization direction of the laser beam E31 is rotated by 90 °. As a result, the polarization direction of the laser beam E31 after passing through the half-wave plate 406 coincides with the polarization direction of the laser beam E32.

反射鏡407及び傾斜鏡408は、本変形例における干渉光学系を構成する。反射鏡407は、半波長板406及び偏光ビームスプリッタ405を介してレーザ光源403と光学的に結合され、偏光ビームスプリッタ405及び半波長板406を透過したレーザ光E31を、空間光変調器3の裏面3bに向けて反射する。傾斜鏡408は、偏光ビームスプリッタ405を介してレーザ光源403と光学的に結合され、偏光ビームスプリッタ405により分岐されたレーザ光E32を、空間光変調器3の裏面3bに向けて反射する。反射鏡407及び傾斜鏡408は互いに対向して配置され、裏面3bの法線方向から見て互いに逆方向からレーザ光E31,E32を裏面3bに向かわせる。反射鏡407及び傾斜鏡408は、偏光ビームスプリッタ405により分岐されたレーザ光E31,E32を互いに干渉させて、空間光変調器3の裏面3bにおいて干渉縞を生成する。この干渉縞は、裏面3bにおいてアドレス光E2の回折格子パターンとして用いられる。 The reflecting mirror 407 and the tilting mirror 408 form the interference optical system in this modification. The reflector 407 is optically coupled to the laser light source 403 via the half-wave plate 406 and the polarization beam splitter 405, and the laser light E31 transmitted through the polarization beam splitter 405 and the half-wave plate 406 is transferred to the space light modulator 3. It reflects toward the back surface 3b. The tilt mirror 408 is optically coupled to the laser light source 403 via the polarizing beam splitter 405, and reflects the laser beam E32 branched by the polarizing beam splitter 405 toward the back surface 3b of the spatial light modulator 3. The reflecting mirror 407 and the tilting mirror 408 are arranged so as to face each other, and the laser beams E31 and E32 are directed toward the back surface 3b from opposite directions when viewed from the normal direction of the back surface 3b. The reflecting mirror 407 and the tilting mirror 408 cause the laser beams E31 and E32 branched by the polarization beam splitter 405 to interfere with each other to generate interference fringes on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. This interference fringe is used as a diffraction grating pattern of the address light E2 on the back surface 3b.

回転駆動部409及び傾斜鏡408は、本変形例における位置変化部を構成し、レーザ光E31,E32の干渉時の相対位置関係を動的に変化させる。具体的には、傾斜鏡408は回転軸410を介して回転駆動部409に連結されており、回転駆動部409の駆動力を受けて、所定軸周りの回転動作を行う。また、傾斜鏡408の光反射面の法線方向は所定軸に対して僅かに傾斜しており、所定軸を中心として傾斜鏡408が回転動作を行うと、レーザ光E32の光軸も微小な半径をもって回転移動する。これにより、空間光変調器3の裏面3b上において、レーザ光E31の照射スポットに対するレーザ光E32の照射スポットの相対位置が或る円に沿って移動する。従って、レーザ光E31,E32の干渉縞であるアドレス光E2の回折格子パターンは、裏面3b上において一方向に回転することとなる。 The rotation drive unit 409 and the tilt mirror 408 form the position change unit in this modification, and dynamically change the relative positional relationship when the laser beams E31 and E32 interfere with each other. Specifically, the tilt mirror 408 is connected to the rotation drive unit 409 via the rotation shaft 410, and receives the driving force of the rotation drive unit 409 to perform a rotation operation around a predetermined axis. Further, the normal direction of the light reflecting surface of the tilting mirror 408 is slightly tilted with respect to a predetermined axis, and when the tilting mirror 408 rotates about the predetermined axis, the optical axis of the laser beam E32 is also minute. Rotate and move with a radius. As a result, the relative position of the irradiation spot of the laser beam E32 to the irradiation spot of the laser beam E31 moves along a certain circle on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Therefore, the diffraction grating pattern of the address light E2, which is the interference fringes of the laser lights E31 and E32, rotates in one direction on the back surface 3b.

本変形例のように、干渉縞を回折格子パターンとして用いてもよい。その場合、本変形例のように、干渉縞を構成する一方のレーザ光E31と他方のレーザ光E32との干渉時の相対位置関係を動的に変化させることにより、干渉縞の向き、すなわち回折格子パターンの向きを動的に変化させることができる。なお、回折格子パターンの向きの動的な変化は、回折格子パターンの回転に限定されず、或る限られた角度範囲における回動動作であってもよい。なお、上記の例では偏光ビームスプリッタ405および半波長板406を用いたが、偏光ビームスプリッタの代わりにハーフミラーなどを用いてレーザ光E3を分岐してもよい。この場合、半波長板406は不要となる。
(第5変形例)
As in this modification, the interference fringes may be used as the diffraction grating pattern. In that case, as in this modification, the direction of the interference fringes, that is, diffraction, is obtained by dynamically changing the relative positional relationship at the time of interference between one laser beam E31 and the other laser beam E32 constituting the interference fringes. The orientation of the grating pattern can be changed dynamically. The dynamic change in the orientation of the diffraction grating pattern is not limited to the rotation of the diffraction grating pattern, and may be a rotation operation in a limited angle range. Although the polarizing beam splitter 405 and the half-wave plate 406 are used in the above example, the laser beam E3 may be branched by using a half mirror or the like instead of the polarizing beam splitter. In this case, the half-wave plate 406 becomes unnecessary.
(Fifth modification)

図40の(a)部は、上記実施形態の第5変形例として、アドレス光照射部4Eの構成を概略的に示す図である。アドレス光照射部4Eは、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。本変形例のアドレス光照射部4Eは、円環状の発光装置49と、発光装置49の内側に配置された光学部材48を含む光学系とを有する。図40の(b)部は、発光装置49を円環の軸方向から見た平面図である。同図に示すように、発光装置49は、複数の面発光レーザ素子アレイ50を含んで構成されている。各面発光レーザ素子アレイ50は、本変形例における発光部の例である。複数の面発光レーザ素子アレイ50は、発光面50aを内側に向けて、円周に沿って並んで配列されている。本変形例の面発光レーザ素子アレイ50は、複数の面発光レーザ素子が一次元又は二次元に配列されてなる。各面発光レーザ素子は、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトル及び強度スペクトルを制御することにより、任意の光像を出力する。このような面発光レーザ素子はS−iPM(Static-integrable PhaseModulating)レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む二次元的な任意形状の光像を出力することができる。従って、面発光レーザ素子アレイ50は、出力光の位相スペクトル及び強度スペクトルを予め適切に設計することにより、遠視野像に回折格子パターン(例えば、図9〜図12に示したような光強度が異なる3つの領域E2a〜E2cを順に繰り返すパターン)を含むアドレス光E2を裏面3bにおいて結像させることを可能とする。 Part (a) of FIG. 40 is a diagram schematically showing the configuration of the address light irradiation unit 4E as a fifth modification of the above embodiment. The address light irradiation unit 4E irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4E of this modification has an annular light emitting device 49 and an optical system including an optical member 48 arranged inside the light emitting device 49. Part (b) of FIG. 40 is a plan view of the light emitting device 49 as viewed from the axial direction of the annulus. As shown in the figure, the light emitting device 49 includes a plurality of surface emitting laser element arrays 50. Each surface emitting laser element array 50 is an example of a light emitting unit in this modification. The plurality of surface emitting laser element arrays 50 are arranged side by side along the circumference with the light emitting surface 50a facing inward. The surface emitting laser element array 50 of this modification is formed by arranging a plurality of surface emitting laser elements one-dimensionally or two-dimensionally. Each surface emitting laser element outputs an arbitrary optical image by controlling the phase spectrum and the intensity spectrum of the light emitted from a plurality of emission points arranged in a two-dimensional manner. Such a surface-emitting laser element is called an S-iPM (Static-integrable PhaseModulating) laser, and is a two-dimensional arbitrary-shaped light including a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate and a direction inclined with respect to the main surface. The image can be output. Therefore, in the surface emitting laser element array 50, by appropriately designing the phase spectrum and the intensity spectrum of the output light in advance, the diffraction grating pattern (for example, the light intensity as shown in FIGS. 9 to 12) can be obtained in the far-field image. It is possible to form an image of the address light E2 including (a pattern in which three different regions E2a to E2c are repeated in order) on the back surface 3b.

光学部材48は、円環状の発光装置49の中心に配置された平坦な反射鏡48aを有する。反射鏡48aは、発光装置49の複数の面発光レーザ素子アレイ50と、空間光変調器3の裏面3bとを光学的に結合する。すなわち、反射鏡48aは、面発光レーザ素子アレイ50から出射されたアドレス光E2を空間光変調器3の裏面3bに向けて反射する。 The optical member 48 has a flat reflecting mirror 48a arranged in the center of the annular light emitting device 49. The reflector 48a optically couples the plurality of surface emitting laser element arrays 50 of the light emitting device 49 and the back surface 3b of the spatial light modulator 3. That is, the reflecting mirror 48a reflects the address light E2 emitted from the surface emitting laser element array 50 toward the back surface 3b of the spatial light modulator 3.

光学部材48には、回転軸402を介して回転駆動部401が取り付けられている。回転軸402は、裏面3bの法線方向に延在し、回転駆動部401からの駆動力によって、裏面3bの法線方向に沿った軸周りに回動する。これにより、反射鏡48aの向きが動的に変化し、複数の面発光レーザ素子アレイ50の中から選択された、所望の回折格子パターンの向きに対応する一部の面発光レーザ素子アレイ50からのアドレス光E2を、空間光変調器3の裏面3bに入力させることができる。従って、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを動的に変化させることが可能となる。一例では、回転軸402は回転駆動部401からの駆動力によって一方向への回転動作を行う。その場合、回折格子パターンは裏面3bにおいて一方向に回転する。 A rotation drive unit 401 is attached to the optical member 48 via a rotation shaft 402. The rotation shaft 402 extends in the normal direction of the back surface 3b, and is rotated around the axis along the normal direction of the back surface 3b by the driving force from the rotation drive unit 401. As a result, the orientation of the reflecting mirror 48a dynamically changes, and the surface emitting laser element array 50 selected from the plurality of surface emitting laser element arrays 50 corresponds to the orientation of the desired diffraction grating pattern. The address light E2 can be input to the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Therefore, it is possible to dynamically change the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b. In one example, the rotary shaft 402 rotates in one direction by the driving force from the rotary drive unit 401. In that case, the diffraction grating pattern rotates in one direction on the back surface 3b.

なお、図41の(a)部に示すように、光学部材48を介さずにアドレス光E2を面発光レーザ素子アレイ50から裏面3bに直接照射してもよく、或いは、図41の(b)部に示すように、アドレス光E2を面発光レーザ素子アレイ50からレンズ54を介して裏面3bに照射してもよい。また、図41の(c)部に示すように、メタレンズ55を、発光面50a上に形成して面発光レーザ素子アレイ50と一体化してもよい。図41の(a)部〜(c)部に示した構成によれば、光学部材48を必要としないので、機械的な回転機構を要さず電気的に切替えができる。したがって、大型化及び高速化に適した構成となる。 As shown in the part (a) of FIG. 41, the address light E2 may be directly irradiated from the surface emitting laser element array 50 to the back surface 3b without passing through the optical member 48, or (b) of FIG. 41. As shown in the section, the address light E2 may be irradiated from the surface emitting laser element array 50 to the back surface 3b via the lens 54. Further, as shown in the portion (c) of FIG. 41, the metal lens 55 may be formed on the light emitting surface 50a and integrated with the surface emitting laser element array 50. According to the configurations shown in the parts (a) to (c) of FIG. 41, since the optical member 48 is not required, the switching can be performed electrically without the need for a mechanical rotation mechanism. Therefore, the configuration is suitable for increasing the size and speed.

図42は、本変形例の別構成として、アドレス光照射部4Fの構成を概略的に示す図である。アドレス光照射部4Fもまた、空間光変調器3の裏面3bに対して、回折格子パターンを含むアドレス光E2を照射する。アドレス光照射部4Fは、面発光レーザ素子アレイ50及び回転駆動部401を有する。面発光レーザ素子アレイ50は、その発光面50aが空間光変調器3の裏面3bと対向するように、空間光変調器3の下方に配置されている。面発光レーザ素子アレイ50には、回転軸402を介して回転駆動部401が取り付けられている。回転軸402は、裏面3bの法線方向に延在し、回転駆動部401からの駆動力によって、裏面3bの法線方向に沿った軸周りの姿勢角を動的に変化させる。これにより、裏面3bにおける回折格子パターンの向きが動的に変化することとなる。一例では、回転軸402は回転駆動部401からの駆動力によって一方向への回転動作を行う。その場合、回折格子パターンは裏面3bにおいて一方向に回転する。このように、アドレス光照射部4Fは、回折格子パターンを含むアドレス光E2を出力する発光部(面発光レーザ素子アレイ50)と、発光部の光軸周りの姿勢角を動的に変化させる駆動部(回転駆動部401)と、を有してもよい。この場合、裏面3bにおける回折格子パターンの向きを動的に変化させるアドレス光照射部を好適に実現することができる。なお、本変形例では面発光レーザ素子アレイ50の姿勢角を動的に変化させているが、図8に示された発光部42の姿勢角を、本変形例と同様の構成により動的に変化させてもよい。 FIG. 42 is a diagram schematically showing the configuration of the address light irradiation unit 4F as another configuration of this modification. The address light irradiation unit 4F also irradiates the back surface 3b of the spatial light modulator 3 with the address light E2 including the diffraction grating pattern. The address light irradiation unit 4F includes a surface emitting laser element array 50 and a rotation drive unit 401. The surface emitting laser element array 50 is arranged below the spatial light modulator 3 so that the light emitting surface 50a faces the back surface 3b of the spatial light modulator 3. A rotation drive unit 401 is attached to the surface emitting laser element array 50 via a rotation shaft 402. The rotation shaft 402 extends in the normal direction of the back surface 3b, and the posture angle around the axis along the normal direction of the back surface 3b is dynamically changed by the driving force from the rotation drive unit 401. As a result, the orientation of the diffraction grating pattern on the back surface 3b changes dynamically. In one example, the rotary shaft 402 rotates in one direction by the driving force from the rotary drive unit 401. In that case, the diffraction grating pattern rotates in one direction on the back surface 3b. In this way, the address light irradiation unit 4F is a light emitting unit (surface emitting laser element array 50) that outputs address light E2 including a diffraction grating pattern, and a drive that dynamically changes the attitude angle of the light emitting unit around the optical axis. It may have a unit (rotation drive unit 401). In this case, an address light irradiation unit that dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 3b can be preferably realized. Although the posture angle of the surface emitting laser element array 50 is dynamically changed in this modification, the posture angle of the light emitting unit 42 shown in FIG. 8 is dynamically changed by the same configuration as in this modification. It may be changed.

ここで、面発光レーザ素子アレイ50を構成する面発光レーザ素子について詳細に説明する。図43の(a)部は、面発光レーザ素子52の構成を示す断面図である。面発光レーザ素子52の中心を通り面発光レーザ素子52の厚さ方向に延びる軸をZ軸とするXYZ直交座標系を定義する。面発光レーザ素子52は、XY面内方向において定在波を形成し、アドレス光E2を半導体基板53の主面53aに対して垂直な方向(Z方向)に出力する。 Here, the surface emitting laser element constituting the surface emitting laser element array 50 will be described in detail. Part (a) of FIG. 43 is a cross-sectional view showing the configuration of the surface emitting laser element 52. An XYZ Cartesian coordinate system is defined in which the axis extending in the thickness direction of the surface emitting laser element 52 passing through the center of the surface emitting laser element 52 is the Z axis. The surface emitting laser element 52 forms a standing wave in the XY in-plane direction, and outputs the address light E2 in a direction (Z direction) perpendicular to the main surface 53a of the semiconductor substrate 53.

面発光レーザ素子52は、半導体基板53と、半導体基板53の主面53a上に設けられた半導体積層60とを有する。半導体積層60は、主面53a上に設けられたクラッド層61と、クラッド層61上に設けられた活性層62と、活性層62上に設けられたクラッド層63と、クラッド層63上に設けられたコンタクト層64とを有する。更に、半導体積層60は、位相変調層65Aを有する。図示例において、位相変調層65Aは活性層62とクラッド層63との間に設けられているが、位相変調層65Aはクラッド層61と活性層62との間に設けられてもよい。アドレス光E2は、半導体基板53の裏面53bから出力し、空間光変調器3に提供される。すなわち、半導体基板53の裏面53bが、図40及び図42における発光面50aに相当する。 The surface emitting laser element 52 has a semiconductor substrate 53 and a semiconductor laminate 60 provided on the main surface 53a of the semiconductor substrate 53. The semiconductor laminate 60 is provided on the clad layer 61 provided on the main surface 53a, the active layer 62 provided on the clad layer 61, the clad layer 63 provided on the active layer 62, and the clad layer 63. It has the contact layer 64 and the contact layer 64. Further, the semiconductor stack 60 has a phase modulation layer 65A. In the illustrated example, the phase modulation layer 65A is provided between the active layer 62 and the clad layer 63, but the phase modulation layer 65A may be provided between the clad layer 61 and the active layer 62. The address light E2 is output from the back surface 53b of the semiconductor substrate 53 and is provided to the spatial light modulator 3. That is, the back surface 53b of the semiconductor substrate 53 corresponds to the light emitting surface 50a in FIGS. 40 and 42.

クラッド層61及びクラッド層63のエネルギーバンドギャップは、活性層62のエネルギーバンドギャップよりも広い。半導体基板53、クラッド層61及び63、活性層62、コンタクト層64、位相変調層65Aの厚さ方向は、Z軸方向と一致する。 The energy bandgap of the clad layer 61 and the clad layer 63 is wider than the energy bandgap of the active layer 62. The thickness directions of the semiconductor substrate 53, the clad layers 61 and 63, the active layer 62, the contact layer 64, and the phase modulation layer 65A coincide with the Z-axis direction.

位相変調層65Aは、共振モードを形成する層である。図43の(b)部は、位相変調層65Aを拡大して示す断面図である。位相変調層65Aは、基本層65aと、複数の異屈折率領域65bとを含んで構成されている。基本層65aは、第1屈折率媒質からなる半導体層である。複数の異屈折率領域65bは、第1屈折率媒質とは屈折率の異なる第2屈折率媒質からなり、基本層65a内に存在する。異屈折率領域65bは、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。複数の異屈折率領域65bは、位相変調層65Aの厚さ方向に垂直な面内(XY面内)において二次元状に配列されている。 The phase modulation layer 65A is a layer that forms a resonance mode. Part (b) of FIG. 43 is an enlarged cross-sectional view of the phase modulation layer 65A. The phase modulation layer 65A includes a basic layer 65a and a plurality of different refractive index regions 65b. The basic layer 65a is a semiconductor layer made of a first refractive index medium. The plurality of different refractive index regions 65b are composed of a second refractive index medium having a refractive index different from that of the first refractive index medium, and exist in the basic layer 65a. The different refractive index region 65b may be a pore, or may be configured by embedding a compound semiconductor in the pore. The plurality of different refractive index regions 65b are arranged two-dimensionally in a plane (in the XY plane) perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer 65A.

図44は、位相変調層65Aの平面図である。ここで、位相変調層65Aに、XY面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はX軸と平行であり、他辺はY軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Oを中心とする正方形状の単位構成領域Rが、X軸に沿った複数列及びY軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域65bは、各単位構成領域R内に1つずつ設けられる。異屈折率領域65bの平面形状は、例えば円形状であるが、これに限らず、例えば多角形、閉曲線、2つ以上の閉曲線から構成される等、様々な形状であってもよい。各単位構成領域R内において、異屈折率領域65bの重心Gは、これに最も近い格子点Oから離れて配置される。 FIG. 44 is a plan view of the phase modulation layer 65A. Here, a virtual square grid in the XY plane is set in the phase modulation layer 65A. It is assumed that one side of the square lattice is parallel to the X-axis and the other side is parallel to the Y-axis. At this time, the square-shaped unit constituent region R centered on the grid point O of the square grid can be set two-dimensionally over a plurality of columns along the X-axis and a plurality of rows along the Y-axis. A plurality of different refractive index regions 65b are provided one by one in each unit constituent region R. The planar shape of the different refractive index region 65b is, for example, a circular shape, but is not limited to this, and may be various shapes such as a polygon, a closed curve, and two or more closed curves. In each unit constituent region R, the center of gravity G of the different refractive index region 65b is arranged away from the grid point O closest to the center of gravity G.

図45に示すように、格子点Oから重心Gに向かう方向とX軸との成す角度をφ(x,y)とする。xはX軸におけるx番目の格子点の位置、yはY軸におけるy番目の格子点の位置を示す。回転角度φが0°である場合、格子点Oと重心Gとを結ぶベクトルの方向はX軸の正方向と一致する。また、格子点Oと重心Gとを結ぶベクトルの長さをr(x,y)とする。一例では、r(x,y)はx、yによらず(位相変調層65A全体にわたって)一定である。なお、長さr(x、y)=0であるとき、異屈折率領域65bの重心Gが格子点Oに一致し、この面発光レーザ素子52はPCSELとなる。 As shown in FIG. 45, the angle formed by the direction from the grid point O toward the center of gravity G and the X axis is φ (x, y). x indicates the position of the x-th grid point on the X-axis, and y indicates the position of the y-th grid point on the Y-axis. When the rotation angle φ is 0 °, the direction of the vector connecting the lattice point O and the center of gravity G coincides with the positive direction of the X axis. Further, let r (x, y) be the length of the vector connecting the grid point O and the center of gravity G. In one example, r (x, y) is constant (over the entire phase modulation layer 65A) regardless of x, y. When the length r (x, y) = 0, the center of gravity G of the different refractive index region 65b coincides with the lattice point O, and the surface emitting laser element 52 becomes a PCSEL.

図44に示されるように、位相変調層65Aにおいては、異屈折率領域65bの重心Gの格子点O周りの回転角度φが、所望の光像に応じて各単位構成領域R毎に独立して個別に設定される。回転角度分布φ(x,y)は、x,yの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度分布φ(x,y)は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton(GS)法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。 As shown in FIG. 44, in the phase modulation layer 65A, the rotation angle φ around the grid point O of the center of gravity G of the different refractive index region 65b is independent for each unit constituent region R according to a desired optical image. Is set individually. The rotation angle distribution φ (x, y) has a specific value for each position determined by the values of x and y, but is not always expressed by a specific function. That is, the rotation angle distribution φ (x, y) is determined from the complex amplitude distribution obtained by inverse Fourier transforming the desired optical image from which the phase distribution is extracted. When obtaining the complex amplitude distribution from the desired optical image, the reproducibility of the beam pattern can be improved by applying an iterative algorithm such as the Gerchberg-Saxton (GS) method, which is generally used when calculating hologram generation. improves.

図46は、面発光レーザ素子52の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層65Aにおける回転角度分布φ(x,y)との関係を説明するための図である。なお、出力ビームパターンの中心Qは半導体基板53の主面53aに対して垂直な軸線上に位置するとは限らないが、垂直な軸線上に配置させることもできる。ここでは説明のため、中心Qが主面53aに対して垂直な軸線上にあるものとする。図46には、中心Qを原点とする4つの象限が示されている。図46では例として第1象限および第3象限に光像が得られる場合を示したが、第2象限および第4象限或いは全ての象限に像を得ることも可能である。本変形例では、図46に示されるように、原点に関して点対称な光像が得られる。図46は、例として、第3象限に文字「A」が、第1象限に文字「A」を180度回転したパターンが、それぞれ得られる場合について示している。なお、光像が回転対称である場合には、重なって一つの光像として観察される。 FIG. 46 is a diagram for explaining the relationship between the optical image obtained by forming an image of the output beam pattern of the surface emitting laser element 52 and the rotation angle distribution φ (x, y) in the phase modulation layer 65A. The center Q of the output beam pattern is not always located on the axis perpendicular to the main surface 53a of the semiconductor substrate 53, but may be arranged on the axis perpendicular to the axis. Here, for the sake of explanation, it is assumed that the center Q is on the axis perpendicular to the main surface 53a. FIG. 46 shows four quadrants with the center Q as the origin. FIG. 46 shows a case where an optical image is obtained in the first quadrant and the third quadrant as an example, but it is also possible to obtain an image in the second quadrant and the fourth quadrant or all quadrants. In this modification, as shown in FIG. 46, a point-symmetrical optical image with respect to the origin is obtained. FIG. 46 shows, as an example, a case where the character “A” is obtained in the third quadrant and the character “A” is rotated by 180 degrees in the first quadrant. When the optical images are rotationally symmetric, they are overlapped and observed as one optical image.

本変形例の面発光レーザ素子52の出力ビームパターンの光像は、回折格子パターンを含んでいる。ここで、回折格子パターンを含む所望の光像を得るためには、以下の手順によって位相変調層65Aの異屈折率領域65bの回転角度分布φ(x,y)を決定する。 The optical image of the output beam pattern of the surface emitting laser element 52 of this modification includes a diffraction grating pattern. Here, in order to obtain a desired optical image including a diffraction grating pattern, the rotation angle distribution φ (x, y) of the different refractive index region 65b of the phase modulation layer 65A is determined by the following procedure.

まず、第1の前提条件として、法線方向に一致するZ軸と、複数の異屈折率領域65bを含む位相変調層65Aの一方の面に一致した、互いに直交するX軸およびY軸を含むX−Y平面と、により規定されるXYZ直交座標系において、該X−Y平面上に、それぞれが正方形状を有するM1(1以上の整数)×N1(1以上の整数)個の単位構成領域Rにより構成される仮想的な正方格子が設定される。 First, as a first precondition, a Z-axis that coincides with the normal direction and an X-axis and a Y-axis that are orthogonal to each other and coincide with one surface of the phase modulation layer 65A including a plurality of different refractive index regions 65b are included. In the XYZ Cartesian coordinate system defined by the XY plane, M1 (integer of 1 or more) × N1 (integer of 1 or more) unit constituent regions each having a square shape on the XY plane. A virtual square grid composed of R is set.

第2の前提条件として、XYZ直交座標系における座標(ξ,η,ζ)は、図47に示すように、動径の長さrと、Z軸からの傾き角θtiltと、X−Y平面上で特定されるX軸からの回転角θrotと、で規定される球面座標(r,θrottilt)に対して、以下の式(6)〜式(8)で示された関係を満たしているものとする。なお、図47は、球面座標(r,θrottilt)からXYZ直交座標系における座標(ξ,η,ζ)への座標変換を説明するための図であり、座標(ξ,η,ζ)により、実空間であるXYZ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。面発光レーザ素子52から出力される光像に相当するビームパターンを角度θtiltおよびθrotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θtiltおよびθrotは、以下の式(9)で規定される規格化波数であってX軸に対応したKx軸上の座標値kと、以下の式(10)で規定される規格化波数であってY軸に対応するとともにKx軸に直交するKy軸上の座標値kと、に換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数2π/aを1.0として規格化された波数を意味する。このとき、Kx軸およびKy軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のM2(1以上の整数)×N2(1以上の整数)個の画像領域FRで構成される。なお、整数M2は、整数M1と一致する必要はない。同様に、整数N2は、整数N1と一致する必要もない。また、式(9)および式(10)は、例えば、Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。

Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

a:仮想的な正方格子の格子定数
λ:面発光レーザ素子52の発振波長 As a second precondition, the coordinates (ξ, η, ζ) in the XYZ Cartesian coordinate system are, as shown in FIG. 47, the length r of the driving diameter, the inclination angle θ tilt from the Z axis, and XY. The following equations (6) to (8) are shown for the spherical coordinates (r, θ rot , θ tilt ) defined by the rotation angle θ rot from the X axis specified on the plane and the spherical coordinates (r, θ rot, θ tilt). Suppose the relationship is satisfied. Note that FIG. 47 is a diagram for explaining coordinate conversion from spherical coordinates (r, θ rot , θ tilt ) to coordinates (ξ, η, ζ) in the XYZ Cartesian coordinate system, and is a diagram for explaining coordinates (ξ, η, ζ). ζ) represents a design optical image on a predetermined plane set in the XYZ Cartesian coordinate system in real space. When a set of bright points towards a beam pattern corresponding to a light image that is output from the surface emitting laser element 52 in the direction defined by the angle theta tilt and theta rot, the angle theta tilt and theta rot has the following formula ( 9) and the coordinate values k x on Kx axis corresponding to the X axis a normalized wave number defined by, with corresponding to a normalized wavenumber in the Y axis defined by the following equation (10) Kx and the coordinate values k y on Ky axis perpendicular to the axis, and shall be converted to. The normalized wave number means a wave number standardized with a wave number of 2π / a corresponding to the grid spacing of a virtual square grid as 1.0. At this time, in the wavenumber space defined by the Kx axis and the Ky axis, the specific wavenumber range including the beam pattern corresponding to the optical image is square M2 (integer of 1 or more) × N2 (integer of 1 or more), respectively. ) Consists of image area FR. The integer M2 does not have to match the integer M1. Similarly, the integer N2 does not have to match the integer N1. Equations (9) and (10) also include, for example, Y. Kurosaka et al., "Effects of non-lasing band intwo-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional bandstructure," Opt. Express 20, 21773-21783. It is disclosed in (2012).
Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

Figure 2021196553

a: Lattice constant λ of a virtual square lattice: Oscillation wavelength of the surface emitting laser element 52

第3の前提条件として、波数空間において、Kx軸方向の座標成分k(0以上M2−1以下の整数)とKy軸方向の座標成分k(0以上N2−1以下の整数)とで特定される画像領域FR(k,k)それぞれを、X軸方向の座標成分x(0以上M1−1以下の整数)とY軸方向の座標成分y(0以上N1−1以下の整数)とで特定されるX−Y平面上の単位構成領域R(x,y)に二次元逆離散フーリエ変換することで得られる複素振幅F(x,y)が、jを虚数単位として、以下の式(11)で与えられる。また、この複素振幅F(x,y)は、振幅項をA(x,y)とするとともに位相項をP(x,y)とするとき、以下の式(12)により規定される。更に、第4の前提条件として、単位構成領域R(x,y)が、X軸およびY軸にそれぞれ平行であって単位構成領域R(x,y)の中心となる格子点O(x,y)において直交するs軸およびt軸で規定される。

Figure 2021196553

Figure 2021196553
The as 3 preconditions, in Fourier space, out with coordinate components of Kx axis direction k x (0 or M2-1 an integer) and Ky-axis direction of the coordinate component k y (0 or more N2-1 an integer) image area FR (k x, k y) identified respectively, X-axis direction of the coordinate component x (0 or M1-1 an integer) and Y-axis direction of the coordinate component y (0 or more N1-1 an integer The complex amplitude F (x, y) obtained by performing a two-dimensional inverse discrete Fourier transform on the unit constituent region R (x, y) on the XY plane specified by) is as follows, with j as an imaginary unit. It is given by the equation (11) of. Further, this complex amplitude F (x, y) is defined by the following equation (12) when the amplitude term is A (x, y) and the phase term is P (x, y). Further, as a fourth precondition, the grid point O (x, y) in which the unit constituent region R (x, y) is parallel to the X-axis and the Y-axis and is the center of the unit constituent region R (x, y), respectively. It is defined by the s-axis and the t-axis that are orthogonal to each other in y).
Figure 2021196553

Figure 2021196553

上記第1〜第4の前提条件の下、位相変調層65Aは、以下の第1および第2条件を満たすよう構成される。すなわち、第1条件は、単位構成領域R(x,y)内において、重心Gが、格子点O(x,y)から離れた状態で配置されていることである。また、第2条件は、格子点O(x,y)から対応する重心Gまでの線分長r2(x,y)がM1個×N1個の単位構成領域Rそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点O(x,y)と対応する重心Gとを結ぶ線分と、s軸と、の成す角度φ(x,y)が、
φ(x,y)=C×P(x,y)+B
C:比例定数であって例えば180°/π
B:任意の定数であって例えば0
なる関係を満たすように、対応する異屈折率領域65bが単位構成領域R(x,y)内に配置されることである。
Under the first to fourth preconditions, the phase modulation layer 65A is configured to satisfy the following first and second conditions. That is, the first condition is that the center of gravity G is arranged in the unit constituent region R (x, y) in a state of being separated from the grid point O (x, y). The second condition is that the line segment length r 2 (x, y) from the grid point O (x, y) to the corresponding center of gravity G is set to a value common to each of the unit constituent regions R of M1 × N1. In this state, the angle φ (x, y) formed by the line segment connecting the grid point O (x, y) and the corresponding center of gravity G and the s axis is
φ (x, y) = C × P (x, y) + B
C: Proportional constant, for example 180 ° / π
B: An arbitrary constant, for example 0
The corresponding different refractive index regions 65b are arranged in the unit constituent region R (x, y) so as to satisfy the above relationship.

フーリエ変換で得られた複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法として、例えば強度分布I(x,y)については、MathWorks社の数値解析ソフトウェア「MATLAB」のabs関数を用いることにより計算することができ、位相分布P(x,y)については、MATLABのangle関数を用いることにより計算することができる。 As a method of obtaining the intensity distribution and the phase distribution from the complex amplitude distribution obtained by the Fourier transform, for example, the intensity distribution I (x, y) is calculated by using the abs function of the numerical analysis software "MATLAB" of MathWorks. The phase distribution P (x, y) can be calculated by using the MATLAB angle function.

ここで、光像のフーリエ変換結果から回転角度分布φ(x,y)を求め、各異屈折率領域65bの配置を決める際に、一般的な離散フーリエ変換(或いは高速フーリエ変換)を用いて計算する場合の留意点を述べる。フーリエ変換前の光像を図48の(a)部のようにA1,A2,A3,及びA4といった4つの象限に分割すると、得られるビームパターンは図48の(b)部のようになる。つまり、ビームパターンの第1象限には、図48の(a)部の第1象限を180度回転したものと図48の(a)部の第3象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第2象限には図48の(a)部の第2象限を180度回転したものと図48の(a)部の第4象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第3象限には図48の(a)部の第3象限を180度回転したものと図48の(a)部の第1象限が重畳したパターンが現れ、ビームパターンの第4象限には図48の(a)部の第4象限を180度回転したものと図48の(a)部の第2象限が重畳したパターンが現れる。 Here, when the rotation angle distribution φ (x, y) is obtained from the Fourier transform result of the optical image and the arrangement of each different refraction coefficient region 65b is determined, a general discrete Fourier transform (or fast Fourier transform) is used. Here are some points to keep in mind when calculating. When the optical image before the Fourier transform is divided into four quadrants such as A1, A2, A3, and A4 as in the part (a) of FIG. 48, the obtained beam pattern is as shown in the part (b) of FIG. That is, in the first quadrant of the beam pattern, a pattern in which the first quadrant of the part (a) of FIG. 48 is rotated 180 degrees and the third quadrant of the part (a) of FIG. 48 are superimposed appears, and the beam pattern In the second quadrant, a pattern in which the second quadrant of the part (a) of FIG. 48 is rotated 180 degrees and the fourth quadrant of the part (a) of FIG. 48 are superimposed appears, and the third quadrant of the beam pattern is shown in the figure. A pattern in which the third quadrant of the part (a) of 48 is rotated 180 degrees and the first quadrant of the part (a) of FIG. 48 are superimposed appears, and the part (a) of FIG. 48 appears in the fourth quadrant of the beam pattern. A pattern in which the fourth quadrant of FIG. 48 is rotated 180 degrees and the second quadrant of the part (a) of FIG. 48 is superimposed appears.

従って、フーリエ変換前の光像(元の光像)として第1象限のみに値を有するものを用いた場合には、得られるビームパターンの第3象限に元の光像の第1象限が現れ、得られるビームパターンの第1象限に元の光像の第1象限を180度回転したパターンが現れる。 Therefore, when an optical image (original optical image) before Fourier conversion that has a value only in the first quadrant is used, the first quadrant of the original optical image appears in the third quadrant of the obtained beam pattern. , A pattern obtained by rotating the first quadrant of the original light image by 180 degrees appears in the first quadrant of the obtained beam pattern.

このように、面発光レーザ素子52においては、波面が位相変調されていることによって所望のビームパターンが得られる。このビームパターンは、一対の単峰ビーム(スポット)であるばかりでなく、例えば図9〜図12に示されるような回折格子パターンとすることも可能である。 As described above, in the surface emitting laser element 52, a desired beam pattern can be obtained by phase-modulating the wavefront. This beam pattern is not only a pair of single peak beams (spots), but can also be a diffraction grating pattern as shown in FIGS. 9 to 12, for example.

本変形例において、活性層62から出力されたレーザ光は、クラッド層61とクラッド層63との間に閉じ込められつつ位相変調層65Aの内部に入り、位相変調層65Aの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層65A内で散乱されて出射されるレーザ光は、半導体基板53の裏面53bから外部へ出力される。このとき、0次光は、主面53aに垂直な方向へ出射する。これに対し、+1次光および−1次光は、主面53aに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向を含む2次元的な任意方向へ出射する。 In this modification, the laser beam output from the active layer 62 enters the inside of the phase modulation layer 65A while being confined between the clad layer 61 and the clad layer 63, depending on the lattice structure inside the phase modulation layer 65A. Form a predetermined mode. The laser light scattered and emitted in the phase modulation layer 65A is output to the outside from the back surface 53b of the semiconductor substrate 53. At this time, the 0th-order light is emitted in the direction perpendicular to the main surface 53a. On the other hand, the +1st order light and the -1st order light are emitted in a two-dimensional arbitrary direction including a direction perpendicular to the main surface 53a and a direction inclined with respect to the main surface 53a.

なお、本変形例における上記の説明では、波長λ0に対して、λ0=a×n(aは格子間隔)としており、正方格子のΓ2点と称するバンド端を利用している。一方、格子間隔aをλ0=(√2)a×nとなるように設定してもよい。これは、正方格子のM点と称するバンド端に対応する。この場合、設計ビームパターンに対応する位相角度分布φ0(x,y)に対して、追加の位相角度分布φ1(x,y)=(±πx/a,±πy/a)の位相を重畳した位相角度分布φ(x,y)=φ0(x,y)+φ1(x,y)とする。図49は、回転角度分布φ1(x,y)の一例を概念的に示す図である。図49に示されるように、この例では、第1の位相値φAと、第1の位相値φAとは異なる値の第2の位相値φBとが市松模様に配列されている。一実施例では、位相値φAは0(rad)であり、位相値φBはπ(rad)である。すなわち、第1の位相値φAと、第2の位相値φBとがπずつ変化する。この場合、面垂直方向に設計ビームパターンを取り出すことができ、面垂直方向に0次光が現れず、±1次光からなる設計ビームパターンのみを出射することができる。0次光は位相変調されない波面だが、±1次光は位相変調された波面となる。故に、空間光変調器3へ入射するアドレス光E2の空間位相分布を効率的に制御できる。 In the above description in this modification, λ 0 = a × n (a is a lattice spacing) with respect to the wavelength λ 0 , and the band end called the Γ 2 point of the square lattice is used. On the other hand, the grid spacing a may be set so that λ 0 = (√2) a × n. This corresponds to the band end called the M point of the square lattice. In this case, for the phase angle distribution φ 0 (x, y) corresponding to the design beam pattern, the phase of the additional phase angle distribution φ 1 (x, y) = (± πx / a, ± πy / a) is set. The superimposed phase angle distribution φ (x, y) = φ 0 (x, y) + φ 1 (x, y). FIG. 49 is a diagram conceptually showing an example of the rotation angle distribution φ 1 (x, y). As shown in FIG. 49, in this example, the first phase value φ A and the second phase value φ B having a value different from the first phase value φ A are arranged in a checkered pattern. In one embodiment, the phase value φ A is 0 (rad) and the phase value φ B is π (rad). That is, the first phase value φ A and the second phase value φ B change by π. In this case, the design beam pattern can be taken out in the vertical direction of the plane, the 0th-order light does not appear in the vertical direction of the plane, and only the design beam pattern consisting of ± 1st-order light can be emitted. The 0th-order light is a wavefront that is not phase-modulated, but the ± 1st-order light is a phase-modulated wavefront. Therefore, the spatial phase distribution of the address light E2 incident on the spatial light modulator 3 can be efficiently controlled.

本変形例のように、アドレス光E2の回折格子パターンを出力する発光部は、S−iPMレーザによって構成されてもよい。この場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例においては、複数個のS−iPMレーザを並べて同時に用いることにより、解像度を容易に向上させ得る。すなわち、S−iPMレーザ単体での解像度を向上するためには位相変調層65Aの発振領域サイズを大きくする必要があるが、発振領域サイズを大きくすると全体で均一且つ安定な発振を維持することが困難となるおそれがある。本変形例ではS−iPMレーザから出力されるビームパターンの強度情報のみを用いて空間光変調器3の位相制御を行うので、互いに位相が整合していない複数のS−iPMレーザを単純に並べるだけで済む。 As in this modification, the light emitting unit that outputs the diffraction grating pattern of the address light E2 may be configured by an S-iPM laser. Even in this case, the same effect as that of the above embodiment can be obtained. Further, in this modification, the resolution can be easily improved by using a plurality of S-iPM lasers side by side at the same time. That is, in order to improve the resolution of the S-iPM laser alone, it is necessary to increase the oscillation region size of the phase modulation layer 65A, but if the oscillation region size is increased, uniform and stable oscillation can be maintained as a whole. It can be difficult. In this modification, the phase of the spatial light modulator 3 is controlled using only the intensity information of the beam pattern output from the S-iPM laser, so that a plurality of S-iPM lasers whose phases do not match each other are simply arranged. Just do it.

具体的な数値例を挙げると、例えばY.Kurosaka et al., “Phase-modulating lasers toward on-chip integration”,Scientific Reports 6, 30138(2016)に記載されているS−iPMレーザは、一辺400μmの正方形の発振領域から1400行1400列の解像度を有する2次元ビームパターンを出力する。空間光変調器3の光変調領域を一辺50cmの正方形とした場合、1μmピッチで画素を配列すると画素数は行方向及び列方向ともに50万となり、上記の解像度を有するS−iPMレーザを行方向及び列方向にそれぞれ357個並べるとよい。理想的に密に敷き詰めた場合には、一辺14.3cmの正方形となる。すなわち、一辺14.3cmのS−iPMレーザアレイを回転させるだけで、一辺50cmのホログラフィック板を回転させるのと同等の機能を実現することができ、大型化が可能となる。言い換えると、一辺30cmのS−iPMレーザアレイを回転させるだけで、一辺105cmのホログラフィック板を回転させるのと同等の機能を実現することができ、立体像に対して1mを超える大型化が可能となる。 To give a specific numerical example, for example, the S-iPM laser described in Y. Kurosaka et al., “Phase-modulating lasers toward on-chip integration”, Scientific Reports 6, 30138 (2016) has a side of 400 μm. A two-dimensional beam pattern with a resolution of 1400 rows and 1400 columns is output from the square oscillation region of. When the optical modulation region of the spatial light modulator 3 is a square with a side of 50 cm, the number of pixels becomes 500,000 in both the row direction and the column direction when the pixels are arranged at a pitch of 1 μm, and the S-iPM laser having the above resolution is used in the row direction. And 357 pieces should be arranged in each row direction. Ideally, it will be a square with a side of 14.3 cm when spread densely. That is, simply by rotating the S-iPM laser array having a side of 14.3 cm, the same function as rotating a holographic plate having a side of 50 cm can be realized, and the size can be increased. In other words, simply by rotating the S-iPM laser array with a side of 30 cm, the same function as rotating a holographic plate with a side of 105 cm can be realized, and the size of the stereoscopic image can be increased by more than 1 m. Will be.

なお、回折格子パターンは単純なストライプパターンの繰り返しであるので、必ずしも上記の個数のS−iPMレーザを並べる必要はなく、例えばビームスプリッタを含む光学系を用いて少数のS−iPMレーザからの出力パターンの分岐及びシフトを行ってもよい。この場合、分岐の回数分だけS−iPMレーザの個数を減らすことができる。 Since the diffraction grating pattern is a repetition of a simple stripe pattern, it is not always necessary to arrange the above number of S-iPM lasers. For example, an optical system including a beam splitter is used to output from a small number of S-iPM lasers. Pattern branching and shifting may be performed. In this case, the number of S-iPM lasers can be reduced by the number of branches.

また、図42に示す例において、機械的に回転する面発光レーザ素子アレイ50に代えて、複数の回転位相に対応する複数の面発光レーザ素子アレイ50を切替えて用いてもよい。或いは、S−iPMレーザに代えて、ビームパターンを動的に変更可能なD−iPM(Dynamic-integrable Phase Modulating)レーザを用いてもよい。これらの場合、機械的な駆動部を無くすことができ、信頼性の向上につながる。なお、D−iPMレーザを用いる場合においても、ビームパターンの強度情報のみを用いて空間光変調器3の位相制御を行うので、互いに位相が整合していない複数のD−iPMレーザを単純に並べてよい。 Further, in the example shown in FIG. 42, instead of the mechanically rotating surface emitting laser element array 50, a plurality of surface emitting laser element arrays 50 corresponding to a plurality of rotation phases may be switched and used. Alternatively, instead of the S-iPM laser, a D-iPM (Dynamic-integrable Phase Modulating) laser capable of dynamically changing the beam pattern may be used. In these cases, the mechanical drive unit can be eliminated, which leads to improvement in reliability. Even when a D-iPM laser is used, since the phase control of the spatial light modulator 3 is performed using only the intensity information of the beam pattern, a plurality of D-iPM lasers whose phases do not match each other are simply arranged side by side. good.

また、本変形例では、面発光レーザ素子アレイ50からのアドレス光E2を、レンズ光学系を介さずに直接、空間光変調器3の裏面3bに照射している。より細かい回折格子パターンの形成のために、面発光レーザ素子アレイ50と裏面3bとの間に、複数のレンズにより構成されるズームレンズ光学系を介在させてもよい。 Further, in this modification, the address light E2 from the surface emitting laser element array 50 is directly applied to the back surface 3b of the spatial light modulator 3 without going through the lens optical system. In order to form a finer diffraction grating pattern, a zoom lens optical system composed of a plurality of lenses may be interposed between the surface emitting laser element array 50 and the back surface 3b.

(第6変形例)
S−iPMレーザは、前述した第5変形例の構成に限られない。例えば、本変形例の位相変調層の構成であっても、S−iPMレーザを好適に実現することができる。図50は、S−iPMレーザが備える位相変調層65Bの平面図である。また、図51は、位相変調層65Bにおける異屈折率領域65bの位置関係を示す図である。位相変調層65Bは、本変形例における共振モード形成層である。図50及び図51に示すように、位相変調層65Bにおいて、各異屈折率領域65bの重心Gは、直線D上に配置されている。直線Dは、各単位構成領域Rの対応する格子点Oを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Dは、X軸及びY軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺(X軸)に対する直線Dの傾斜角はαである。傾斜角αは、位相変調層65B内において一定である。傾斜角αは、0°<α<90°を満たし、一例ではα=45°である。または、傾斜角αは、180°<α<270°を満たし、一例ではα=225°である。傾斜角αが0°<α<90°または180°<α<270°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第1象限から第3象限にわたって延びる。或いは、傾斜角αは、90°<α<180°を満たし、一例ではα=135°である。或いは、傾斜角αは、270°<α<360°を満たし、一例ではα=315°である。傾斜角αが90°<α<180°または270°<α<360°を満たす場合、直線Dは、X軸及びY軸によって規定される座標平面の第2象限から第4象限にわたって延びる。このように、傾斜角αは、0°、90°、180°及び270°を除く角度である。このような傾斜角αとすることで、光出力ビームにおいて、X軸方向に進む光波とY軸方向に進む光波との両方を寄与させることができる。ここで、格子点Oと重心Gとの距離をr(x,y)とする。xはX軸におけるx番目の格子点の位置、yはY軸におけるy番目の格子点の位置を示す。距離r(x,y)が正の値である場合、重心Gは第1象限(または第2象限)に位置する。距離r(x,y)が負の値である場合、重心Gは第3象限(または第4象限)に位置する。距離r(x,y)が0である場合、格子点Oと重心Gとは互いに一致する。
(6th modification)
The S-iPM laser is not limited to the configuration of the fifth modification described above. For example, even with the configuration of the phase modulation layer of this modification, the S-iPM laser can be suitably realized. FIG. 50 is a plan view of the phase modulation layer 65B included in the S-iPM laser. Further, FIG. 51 is a diagram showing the positional relationship of the different refractive index region 65b in the phase modulation layer 65B. The phase modulation layer 65B is a resonance mode forming layer in this modification. As shown in FIGS. 50 and 51, in the phase modulation layer 65B, the center of gravity G of each different refractive index region 65b is arranged on the straight line D. The straight line D is a straight line that passes through the corresponding grid points O of each unit constituent region R and is inclined with respect to each side of the square grid. In other words, the straight line D is a straight line that is inclined with respect to both the X-axis and the Y-axis. The inclination angle of the straight line D with respect to one side (X-axis) of the square lattice is α. The tilt angle α is constant in the phase modulation layer 65B. The tilt angle α satisfies 0 ° <α <90 °, and in one example, α = 45 °. Alternatively, the tilt angle α satisfies 180 ° <α <270 °, and in one example, α = 225 °. When the tilt angle α satisfies 0 ° <α <90 ° or 180 ° <α <270 °, the straight line D extends from the first quadrant to the third quadrant of the coordinate plane defined by the X-axis and the Y-axis. Alternatively, the tilt angle α satisfies 90 ° <α <180 °, and in one example, α = 135 °. Alternatively, the tilt angle α satisfies 270 ° <α <360 °, and in one example, α = 315 °. When the tilt angle α satisfies 90 ° <α <180 ° or 270 ° <α <360 °, the straight line D extends from the second quadrant to the fourth quadrant of the coordinate plane defined by the X-axis and the Y-axis. As described above, the inclination angle α is an angle excluding 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. By setting such an inclination angle α, both the light wave traveling in the X-axis direction and the light wave traveling in the Y-axis direction can be contributed in the light output beam. Here, the distance between the grid point O and the center of gravity G is r (x, y). x indicates the position of the x-th grid point on the X-axis, and y indicates the position of the y-th grid point on the Y-axis. When the distance r (x, y) is a positive value, the center of gravity G is located in the first quadrant (or the second quadrant). When the distance r (x, y) is a negative value, the center of gravity G is located in the third quadrant (or the fourth quadrant). When the distance r (x, y) is 0, the grid point O and the center of gravity G coincide with each other.

図50に示される、各異屈折率領域65bの重心Gと、各単位構成領域Rの対応する格子点Oとの距離r(x,y)は、所望の光像に応じて各異屈折率領域65b毎に個別に設定される。距離r(x,y)の分布は、x,yの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離r(x,y)の分布は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、図51に示される、或る座標(x,y)における位相P(x,y)がP0である場合には距離r(x,y)を0と設定し、位相P(x,y)がπ+P0である場合には距離r(x,y)を最大値r0に設定し、位相P(x,y)が−π+P0である場合には距離r(x,y)を最小値−r0に設定する。そして、その中間の位相P(x,y)に対しては、r(x,y)={P(x,y)−P0}×r0/πとなるように距離r(x,y)をとる。ここで、初期位相P0は任意に設定することができる。正方格子の格子間隔をaとすると、r(x,y)の最大値r0は例えば

Figure 2021196553

の範囲内である。 The distance r (x, y) between the center of gravity G of each different refractive index region 65b and the corresponding lattice point O of each unit constituent region R shown in FIG. 50 is each different refractive index according to a desired optical image. It is set individually for each area 65b. The distribution of the distance r (x, y) has a specific value for each position determined by the values of x and y, but is not always expressed by a specific function. The distribution of the distance r (x, y) is determined from the complex amplitude distribution obtained by inverse Fourier transforming the desired optical image from which the phase distribution is extracted. That is, when the phase P (x, y) at a certain coordinate (x, y) shown in FIG. 51 is P 0 , the distance r (x, y) is set to 0, and the phase P (x, y) is set. When y) is π + P 0 , the distance r (x, y) is set to the maximum value r 0 , and when the phase P (x, y) is −π + P 0 , the distance r (x, y) is set. Set to the minimum value -r 0. Then, for the intermediate phase P (x, y), the distance r (x, y) is such that r (x, y) = {P (x, y) −P 0 } × r 0 / π. ). Here, the initial phase P 0 can be arbitrarily set. Assuming that the grid spacing of the square grid is a, the maximum value r 0 of r (x, y) is, for example,
Figure 2021196553

Is within the range of.

本変形例のように、面発光レーザ素子アレイ50は、共振モード形成層として位相変調層65Bを有してもよい。この場合、位相変調層65Bにおいて発生したレーザ光の一部(+1次光および−1次光の一部、並びに0次光)は、半導体基板53の主面53aに対して平行ではない方向に回折し、金属電極膜66において反射したのち(または直接に)半導体基板53の裏面53bに達し、裏面53bから空間光変調器3に向けて、アドレス光E2として出射する。本変形例においても、面発光レーザ素子アレイ50は、回折格子パターンを含むアドレス光E2を空間光変調器3の裏面3bに結像させることができる。従って、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。 As in this modification, the surface emitting laser element array 50 may have a phase modulation layer 65B as a resonance mode forming layer. In this case, a part of the laser light (a part of the +1st order light and the -1st order light, and the 0th order light) generated in the phase modulation layer 65B is in a direction not parallel to the main surface 53a of the semiconductor substrate 53. After being diffracted and reflected by the metal electrode film 66 (or directly), it reaches the back surface 53b of the semiconductor substrate 53 and is emitted from the back surface 53b toward the spatial light modulator 3 as address light E2. Also in this modification, the surface emitting laser element array 50 can form an image of the address light E2 including the diffraction grating pattern on the back surface 3b of the spatial light modulator 3. Therefore, the same effect as that of the above embodiment can be obtained.

(第7変形例)
上記実施形態では、空間光変調器3として液晶型のものを例示したが、空間光変調器の構成は液晶型に限られない。図52は、空間光変調器の別の例として、反射型動的メタサーフェス(以下、単にメタサーフェスと称する)7Aの構成を示す平面図である。「メタサーフェス」とは、光E1の波長よりも十分に小さい単位構造を平坦な表面上に複数並べて形成することにより、単位構造毎に入射光の位相を変化させるものである。メタサーフェスには種々の構造が存在するが、本実施形態のメタサーフェスは、その中でもギャップ・プラズモン型と呼ばれる構造を有する。メタサーフェス7Aは、互いに交差(例えば直交)する方向D1及びD2に沿って延びる平板状の装置であって、方向D1及びD2の双方と交差(例えば直交)する方向D3を厚さ方向とする。メタサーフェス7Aの主面7aには、複数の画素70が形成されている。複数の画素70は、方向D1を行方向とし、方向D2を列方向とする二次元状に配列されている。各画素70の平面形状は矩形状(例えば正方形状)である。各画素70の一辺の長さLは、例えば200nm〜400nmの範囲内である。メタサーフェス7Aは、主面7aに入力される光E1の位相を画素70毎に個別に変調することにより、回折格子としての役割を果たす。
(7th modification)
In the above embodiment, the liquid crystal type is exemplified as the spatial light modulator 3, but the configuration of the spatial light modulator is not limited to the liquid crystal type. FIG. 52 is a plan view showing the configuration of a reflective dynamic metasurface (hereinafter, simply referred to as a metasurface) 7A as another example of the spatial light modulator. The "meta-surface" is a structure in which a plurality of unit structures sufficiently smaller than the wavelength of light E1 are arranged side by side on a flat surface to change the phase of incident light for each unit structure. There are various structures in the metasurface, and the metasurface of the present embodiment has a structure called a gap plasmon type among them. The metasurface 7A is a flat plate-shaped device extending along the directions D1 and D2 that intersect each other (for example, orthogonally), and the direction D3 that intersects (for example, orthogonally) both directions D1 and D2 is the thickness direction. A plurality of pixels 70 are formed on the main surface 7a of the meta surface 7A. The plurality of pixels 70 are arranged two-dimensionally with the direction D1 as the row direction and the direction D2 as the column direction. The planar shape of each pixel 70 is rectangular (for example, square). The length L of one side of each pixel 70 is, for example, in the range of 200 nm to 400 nm. The metasurface 7A serves as a diffraction grating by individually modulating the phase of the light E1 input to the main surface 7a for each pixel 70.

図53は、図52のIII−III線に沿った断面図であって、メタサーフェス7Aの断面構造を示している。メタサーフェス7Aは、主面7aに照射された二次元光像を含む光E1を反射するとともに、二次元状に配列された複数の画素70毎に光E1の位相を変調する。メタサーフェス7Aの各画素70は、裏面7b側から照射されたアドレス光E2の各画素70毎の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有する。図53に示すように、メタサーフェス7Aは、透明基板71、透明電極層72、インピーダンス変化層73A、金属膜74、積層構造体75、金属膜76、及び透明基板77を有する。 FIG. 53 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 52 and shows the cross-sectional structure of the metasurface 7A. The metasurface 7A reflects the light E1 including the two-dimensional light image irradiated on the main surface 7a, and modulates the phase of the light E1 for each of a plurality of pixels 70 arranged in a two-dimensional manner. Each pixel 70 of the meta surface 7A has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of each pixel 70 of the address light E2 emitted from the back surface 7b side. As shown in FIG. 53, the metasurface 7A has a transparent substrate 71, a transparent electrode layer 72, an impedance changing layer 73A, a metal film 74, a laminated structure 75, a metal film 76, and a transparent substrate 77.

透明基板71は、光透過性を有する板状の部材である。ここでいう光透過性とは、アドレス光E2を透過する性質をいう。一例では、透明基板71はガラス基板である。透明基板71は、互いに平行且つ反対方向を向く主面71a及び裏面71bを含む。主面71a及び裏面71bは、平坦且つ滑面である。裏面71bは、メタサーフェス7Aの裏面7bと一致する。透明基板71の厚みは、例えば20μm以上1mm以下である。 The transparent substrate 71 is a plate-shaped member having light transmission. The light transmission here means a property of transmitting the address light E2. In one example, the transparent substrate 71 is a glass substrate. The transparent substrate 71 includes a main surface 71a and a back surface 71b that are parallel to each other and face in opposite directions. The main surface 71a and the back surface 71b are flat and smooth. The back surface 71b coincides with the back surface 7b of the metasurface 7A. The thickness of the transparent substrate 71 is, for example, 20 μm or more and 1 mm or less.

透明電極層72は、インピーダンス変化層73Aと透明基板71との間に位置する。図示例では、透明電極層72は透明基板71の主面71aと接している。透明電極層72は、透明基板71と同様に光透過性を有する。すなわち、透明電極層72は、アドレス光E2を透過する。透明電極層72の構成材料は、例えば例えばITO、酸化亜鉛系の導電材料(AZO、GZO)のうち少なくとも1つを含む。透明電極層72の厚みは、例えば1nm以上1μm以下である。透明電極層72は、画素毎に分割されておらず、主面71a上の全面にわたって一体に設けられている。 The transparent electrode layer 72 is located between the impedance changing layer 73A and the transparent substrate 71. In the illustrated example, the transparent electrode layer 72 is in contact with the main surface 71a of the transparent substrate 71. The transparent electrode layer 72 has light transmission like the transparent substrate 71. That is, the transparent electrode layer 72 transmits the address light E2. The constituent material of the transparent electrode layer 72 includes, for example, ITO, at least one of zinc oxide-based conductive materials (AZO, GZO). The thickness of the transparent electrode layer 72 is, for example, 1 nm or more and 1 μm or less. The transparent electrode layer 72 is not divided for each pixel, but is integrally provided over the entire surface of the main surface 71a.

インピーダンス変化層73Aは、金属膜74と透明電極層72との間に位置する半導体層である。インピーダンス変化層73Aは、アドレス光E2の強度分布に応じて、インピーダンスの分布を発現する。具体的には、インピーダンス変化層73Aを構成する材料のインピーダンスは、光を受けるとその光強度に応じて単調に変化する。そのような材料としては、例えば水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物が挙げられる。従って、本変形例のインピーダンス変化層73Aは、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物(例えばi型GaN)、InP系化合物(例えばi型InP)、及びGaAs系化合物(例えばi型GaAs)のうち少なくとも1つを含んで構成され得る。インピーダンス変化層73Aの厚みは、例えば10nm以上20μm以下である。インピーダンス変化層73Aもまた、画素70毎に分割されておらず、主面71a上の全面にわたって一体に設けられている。 The impedance change layer 73A is a semiconductor layer located between the metal film 74 and the transparent electrode layer 72. The impedance change layer 73A expresses an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2. Specifically, the impedance of the material constituting the impedance changing layer 73A changes monotonically according to the light intensity when receiving light. Examples of such a material include hydrogenated amorphous silicon, GaN-based compounds, InP-based compounds, and GaAs-based compounds. Therefore, the impedance change layer 73A of this modification is at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound (for example, i-type GaN), an InP-based compound (for example, i-type InP), and a GaAs-based compound (for example, i-type GaAs). It may be configured to include one. The thickness of the impedance changing layer 73A is, for example, 10 nm or more and 20 μm or less. The impedance change layer 73A is also not divided for each pixel 70, but is integrally provided over the entire surface of the main surface 71a.

積層構造体75は、平坦な膜であって、複数の画素70にわたって方向D1及びD2に沿って延在している。積層構造体75は、主面75aおよび裏面75bを有する。主面75aには、光E1が入力される。主面75aおよび裏面75bは、方向D3において互いに対向する。主面75aと裏面75bとの間隔(すなわち方向D3における積層構造体75の厚さ)は、光E1の波長λよりも十分に小さく設定される。積層構造体75の厚さは、例えば10nm〜100nmの範囲内である。積層構造体75は、方向D3を積層方向として積層された透明導電層751及び誘電体層752を有する。 The laminated structure 75 is a flat film and extends along the directions D1 and D2 over a plurality of pixels 70. The laminated structure 75 has a main surface 75a and a back surface 75b. Light E1 is input to the main surface 75a. The main surface 75a and the back surface 75b face each other in the direction D3. The distance between the main surface 75a and the back surface 75b (that is, the thickness of the laminated structure 75 in the direction D3) is set sufficiently smaller than the wavelength λ of the light E1. The thickness of the laminated structure 75 is, for example, in the range of 10 nm to 100 nm. The laminated structure 75 has a transparent conductive layer 751 and a dielectric layer 752 laminated with the direction D3 as the laminating direction.

透明導電層751は、光透過性且つ導電性を有する無機膜である。ここでいう光透過性とは、光E1を透過する性質をいう。また、導電性とは、電気抵抗率が極めて低い(例えば抵抗率が10−6Ω・m以下の)性質をいう。本変形例の透明導電層751は、例えばITO、酸化亜鉛系の導電材料(AZO、GZO)のうち少なくとも1つを含む。透明導電層751の厚さは、例えば3nm〜50nmの範囲内であり、一例では20nmである。 The transparent conductive layer 751 is an inorganic film having light transmittance and conductivity. The term "light transmission" as used herein means a property of transmitting light E1. Further, the conductivity means a property that the electrical resistivity is extremely low (for example, the resistivity is 10-6 Ω · m or less). The transparent conductive layer 751 of this modification includes, for example, ITO, at least one of zinc oxide-based conductive materials (AZO, GZO). The thickness of the transparent conductive layer 751 is, for example, in the range of 3 nm to 50 nm, and in one example, it is 20 nm.

誘電体層752は、光透過性且つ絶縁性を有する無機膜である。絶縁性とは、電気抵抗率が極めて高い(例えば抵抗率が10Ω・m以上の)性質をいう。誘電体層752は、例えば、酸化アルミニウム(Al)、酸化シリコン(SiO)、及びフッ化マグネシウム(MgF)のうち少なくとも一つを含む。誘電体層752の厚さは、例えば1nm〜20nmの範囲内であり、一例では5nmである。なお、図示例では裏面7b側に透明導電層751が設けられ、主面7a側に誘電体層752が設けられているが、主面7a側に透明導電層751が設けられ、裏面7b側に誘電体層752が設けられてもよい。 The dielectric layer 752 is an inorganic film having light transmission and insulating properties. Insulation and the electrical resistivity is extremely high (e.g. resistivity above 10 6 Ω · m) refers to the property. The dielectric layer 752 contains, for example, at least one of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), and magnesium fluoride (Mg F 2). The thickness of the dielectric layer 752 is, for example, in the range of 1 nm to 20 nm, and in one example, it is 5 nm. In the illustrated example, the transparent conductive layer 751 is provided on the back surface 7b side and the dielectric layer 752 is provided on the main surface 7a side, but the transparent conductive layer 751 is provided on the main surface 7a side and is provided on the back surface 7b side. The dielectric layer 752 may be provided.

金属膜76は、メタサーフェス構造におけるナノアンテナとしての機能を有する。金属膜76は、積層構造体75の主面75a上に設けられている。金属膜76は、例えば金(Au)といった金属からなる膜である。金属膜76の膜厚は、例えば30nm〜100nmの範囲内であり、一例では50nmである。金属膜76は、画素70毎に分割されている。方向D1における各画素70の金属膜76の幅は、同方向における画素70の長さ(画素ピッチ)よりも小さく設定され、且つ、光E1の波長λよりも十分に小さく設定される。一例では、各画素70の金属膜76の幅は40nm〜360nmの範囲内であり、一例では250nmである。また、隣り合う金属膜76同士の間隔は40nm〜360nmの範囲内であり、一例では150nmである。また、金属膜76の幅W1と光E1の波長λとの比(W1/λ)は0.02〜1の範囲内である。さらに、金属膜76の幅W1と画素70の一辺の長さLとの比(W1/L)は0.1〜0.9の範囲内である。 The metal film 76 has a function as a nano-antenna in the meta-surface structure. The metal film 76 is provided on the main surface 75a of the laminated structure 75. The metal film 76 is a film made of a metal such as gold (Au). The film thickness of the metal film 76 is, for example, in the range of 30 nm to 100 nm, and in one example, it is 50 nm. The metal film 76 is divided into pixels 70. The width of the metal film 76 of each pixel 70 in the direction D1 is set to be smaller than the length (pixel pitch) of the pixels 70 in the same direction, and is set sufficiently smaller than the wavelength λ of the light E1. In one example, the width of the metal film 76 of each pixel 70 is in the range of 40 nm to 360 nm, and in one example it is 250 nm. The distance between the adjacent metal films 76 is in the range of 40 nm to 360 nm, and in one example, it is 150 nm. Further, the ratio (W1 / λ) of the width W1 of the metal film 76 and the wavelength λ of the light E1 is in the range of 0.02 to 1. Further, the ratio (W1 / L) of the width W1 of the metal film 76 to the length L of one side of the pixel 70 is in the range of 0.1 to 0.9.

金属膜74は、積層構造体75の裏面75b上に設けられ、積層構造体75とインピーダンス変化層73Aとの間に位置する。一例では、金属膜74は裏面75bと接している。金属膜74は、積層構造体75に入力された光E1を、主面7aに向けて反射する。金属膜74は、例えば金(Au)といった金属からなる。金属膜74の膜厚は、例えば100nm〜200nmの範囲内であり、一例では150nmである。金属膜74は、画素70毎に分割されている。一例では、各画素70の金属膜74の幅は40nm〜360nmの範囲内である。さらに、各画素70の金属膜74の幅W2と画素70の一辺の長さLとの比(W2/L)は0.1〜0.9の範囲内である。 The metal film 74 is provided on the back surface 75b of the laminated structure 75, and is located between the laminated structure 75 and the impedance changing layer 73A. In one example, the metal film 74 is in contact with the back surface 75b. The metal film 74 reflects the light E1 input to the laminated structure 75 toward the main surface 7a. The metal film 74 is made of a metal such as gold (Au). The film thickness of the metal film 74 is, for example, in the range of 100 nm to 200 nm, and in one example, it is 150 nm. The metal film 74 is divided into pixels 70. In one example, the width of the metal film 74 of each pixel 70 is in the range of 40 nm to 360 nm. Further, the ratio (W2 / L) of the width W2 of the metal film 74 of each pixel 70 to the length L of one side of the pixel 70 is in the range of 0.1 to 0.9.

透明基板77は、積層構造体75の主面75a上において、金属膜76を覆うように設けられている。言い換えると、金属膜76は、積層構造体75と透明基板77との間に設けられている。透明基板77は、光透過性を有する板状の部材である。ここでいう光透過性とは、光E1を透過する性質をいう。一例では、透明基板77はガラス基板である。透明基板77は、積層構造体75とは反対側の表面77aを含む。表面77aは、平坦且つ滑面であり、メタサーフェス7Aの主面7aと一致する。透明基板77の厚みは、例えば20μm以上1mm以下である。 The transparent substrate 77 is provided on the main surface 75a of the laminated structure 75 so as to cover the metal film 76. In other words, the metal film 76 is provided between the laminated structure 75 and the transparent substrate 77. The transparent substrate 77 is a plate-shaped member having light transmission. The term "light transmission" as used herein means a property of transmitting light E1. In one example, the transparent substrate 77 is a glass substrate. The transparent substrate 77 includes a surface 77a on the opposite side of the laminated structure 75. The surface 77a is flat and smooth and coincides with the main surface 7a of the metasurface 7A. The thickness of the transparent substrate 77 is, for example, 20 μm or more and 1 mm or less.

以上の構成を備えるメタサーフェス7Aによって得られる作用について説明する。メタサーフェス7Aは、光反射膜としての金属膜74と、透明導電層751及び誘電体層752を含む積層構造体75と、ナノアンテナとしての金属膜76とがこの順に積層されたMIM構造を備える。この場合、メタサーフェス7Aの主面7aに入射した光E1は、金属膜76の一方側において露出した積層構造体75の部分に入射する。この光E1は、金属膜74と金属膜76との間を導波し、金属膜76の他方側において露出した積層構造体75の部分から主面7aを介してメタサーフェス7Aの外部へ出力される。このとき、金属膜76と金属膜74との間に駆動電圧が印加されると、ギャップ・サーフェス・プラズモン・モードと呼ばれる互いに逆向きの誘導電流が金属膜76及び金属膜74の双方に生じ、積層構造体75内に強い磁気共鳴(プラズモン共鳴)が生じる。この磁気共鳴を利用することで、金属膜76と金属膜74との間を通過する光E1の位相を変調することができる。 The operation obtained by the meta-surface 7A having the above configuration will be described. The metasurface 7A has a MIM structure in which a metal film 74 as a light reflecting film, a laminated structure 75 including a transparent conductive layer 751 and a dielectric layer 752, and a metal film 76 as a nanoantenna are laminated in this order. .. In this case, the light E1 incident on the main surface 7a of the metasurface 7A is incident on the portion of the laminated structure 75 exposed on one side of the metal film 76. This light E1 is waveguideed between the metal film 74 and the metal film 76, and is output from the portion of the laminated structure 75 exposed on the other side of the metal film 76 to the outside of the metasurface 7A via the main surface 7a. To. At this time, when a driving voltage is applied between the metal film 76 and the metal film 74, induced currents in opposite directions called a gap surface plasmon mode are generated in both the metal film 76 and the metal film 74. Strong magnetic resonance (plasmon resonance) occurs in the laminated structure 75. By utilizing this magnetic resonance, the phase of the light E1 passing between the metal film 76 and the metal film 74 can be modulated.

ここで、以下の数式(14)は、磁気共鳴による光E1の位相変調量φ、金属膜76の幅w(=W1)、光E1の波長λ、および積層構造体75の実効屈折率Ngspの関係を表す。なお、mは整数である。

Figure 2021196553

数式(14)から明らかなように、位相変調量φは、積層構造体75の実効屈折率Ngspに依存する。そして、金属膜76と金属膜74との間に印加される駆動電圧を変化させることによって、実効屈折率Ngspを制御することができる。その理由は次の通りである。金属膜76と金属膜74との間に駆動電圧が印加されると、金属膜76と金属膜74との間の電界によって透明導電層751の誘電体層752との界面付近の電子密度が高まる。その結果、図53に示されるように、透明導電層751の該界面付近の部分が、実効的に金属化した層751aに変化する。この層751aによって、光E1に対する積層構造体75の実効屈折率Ngspが大きく変化する。 Here, the following formula (14) is based on the phase modulation amount φ of the light E1 due to magnetic resonance, the width w (= W1) of the metal film 76, the wavelength λ of the light E1, and the effective refractive index N gsp of the laminated structure 75. Represents the relationship of. In addition, m is an integer.
Figure 2021196553

As is clear from the equation (14), the phase modulation amount φ depends on the effective refractive index N gsp of the laminated structure 75. Then, the effective refractive index N gsp can be controlled by changing the drive voltage applied between the metal film 76 and the metal film 74. The reason is as follows. When a driving voltage is applied between the metal film 76 and the metal film 74, the electric field between the metal film 76 and the metal film 74 increases the electron density near the interface between the transparent conductive layer 751 and the dielectric layer 752. .. As a result, as shown in FIG. 53, the portion of the transparent conductive layer 751 near the interface is transformed into an effectively metallized layer 751a. The layer 751a greatly changes the effective refractive index N gsp of the laminated structure 75 with respect to light E1.

本変形例では、金属膜76と透明電極層72との間に交流電圧源78が電気的に接続され、金属膜76と透明電極層72との間に交流の駆動電圧が印加される。交流電圧の実効電圧は例えば数ボルトであり、周波数は例えばDC〜1GHzである。そして、透明電極層72と金属膜74との間には、インピーダンス変化層73Aが設けられている。アドレス光E2が裏面3b側に照射されると、アドレス光E2はインピーダンス変化層73Aに達し、インピーダンス変化層73Aにインピーダンスの分布を与える。すなわち、アドレス光E2の光強度が小さい画素70ではインピーダンス変化層73Aのインピーダンスが大きい状態に維持され、アドレス光E2の光強度が大きい画素70ではインピーダンス変化層73Aのインピーダンスが小さくなる(図53の領域73a)。従って、インピーダンス変化層73Aのインピーダンス分布は、アドレス光E2の強度分布に応じた分布となる。インピーダンス変化層73Aのインピーダンスが小さくなった画素70では、透明導電層751に与えられる電圧が大きくなり、透明導電層751に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層73Aのインピーダンスが大きい状態に維持された画素では、インピーダンス変化層73Aのインピーダンスは透明導電層751のインピーダンスと比べて同程度なので、透明導電層751に与えられる電圧は小さく、透明導電層751には弱い電界が印加される(或いは、電界が全く印加されない)。故に、光E1に対して、アドレス光E2の光強度分布に応じた位相分布が与えられる。なお、アドレス光E2は、金属膜74により遮られて積層構造体75には達しない。 In this modification, an AC voltage source 78 is electrically connected between the metal film 76 and the transparent electrode layer 72, and an AC driving voltage is applied between the metal film 76 and the transparent electrode layer 72. The effective voltage of the AC voltage is, for example, several volts, and the frequency is, for example, DC to 1 GHz. An impedance changing layer 73A is provided between the transparent electrode layer 72 and the metal film 74. When the address light E2 is irradiated on the back surface 3b side, the address light E2 reaches the impedance changing layer 73A and gives an impedance distribution to the impedance changing layer 73A. That is, in the pixel 70 where the light intensity of the address light E2 is low, the impedance of the impedance changing layer 73A is maintained in a large state, and in the pixel 70 where the light intensity of the address light E2 is high, the impedance of the impedance changing layer 73A becomes small (FIG. 53). Region 73a). Therefore, the impedance distribution of the impedance change layer 73A is a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light E2. In the pixel 70 in which the impedance of the impedance changing layer 73A is reduced, the voltage applied to the transparent conductive layer 751 is increased, and a strong electric field is applied to the transparent conductive layer 751. Further, in a pixel in which the impedance of the impedance changing layer 73A is maintained in a large state, the impedance of the impedance changing layer 73A is about the same as the impedance of the transparent conductive layer 751, so that the voltage applied to the transparent conductive layer 751 is small and transparent. A weak electric field is applied (or no electric field is applied) to the conductive layer 751. Therefore, a phase distribution corresponding to the light intensity distribution of the address light E2 is given to the light E1. The address light E2 is blocked by the metal film 74 and does not reach the laminated structure 75.

このように、メタサーフェス7Aの各画素70は、各画素70の裏面7b側に照射されたアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有するので、メタサーフェス7Aは、回折格子パターンに応じた位相パターンを、主面7aに入射した光E1に与える。従って、主面7aに対して照射された二次元光像は、メタサーフェス7Aにおいて反射する際、回折格子パターンの向きに応じた方向に偏向して出力される。更に、本変形例においても上記実施形態と同様に、裏面7bにおける回折格子パターンの向きが動的に変化するので、二次元光像の偏向方向も動的に変化する。回折格子パターンの向きに対応する二次元光像を主面7aに照射すると、観察者に対して立体的な画像を提示することが可能になる。加えて、この画像出力装置によれば、回折格子パターンを含むアドレス光E2を動的に変化させることにより立体画像を出力するので、光偏向要素であるメタサーフェス7Aを静止させたまま立体画像を出力することが可能になる。従って、ホログラフィックスクリーンを機械的に高速で回転させる非特許文献1に開示された装置と比較して、メタサーフェス7Aのサイズを大型化して立体画像を大きくすることが容易にできる。また、本変形例のように空間光変調器としてメタサーフェス7Aを用いることにより、液晶型の空間光変調器を用いる場合と比較して、より高速な動作が可能となる。 As described above, since each pixel 70 of the metasurface 7A has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light E2 irradiated on the back surface 7b side of each pixel 70, the metasurface 7A has a diffraction grating. A phase pattern corresponding to the pattern is given to the light E1 incident on the main surface 7a. Therefore, when the two-dimensional light image irradiated to the main surface 7a is reflected by the metasurface 7A, it is output deflected in a direction corresponding to the direction of the diffraction grating pattern. Further, also in this modification, since the direction of the diffraction grating pattern on the back surface 7b changes dynamically as in the above embodiment, the deflection direction of the two-dimensional optical image also changes dynamically. By irradiating the main surface 7a with a two-dimensional light image corresponding to the orientation of the diffraction grating pattern, it becomes possible to present a three-dimensional image to the observer. In addition, according to this image output device, a stereoscopic image is output by dynamically changing the address light E2 including the diffraction grating pattern, so that the stereoscopic image can be produced while the metasurface 7A, which is an optical deflection element, is stationary. It becomes possible to output. Therefore, it is possible to easily increase the size of the metasurface 7A and enlarge the stereoscopic image as compared with the apparatus disclosed in Non-Patent Document 1 in which the holographic screen is mechanically rotated at high speed. Further, by using the metasurface 7A as the spatial light modulator as in this modification, higher speed operation becomes possible as compared with the case where the liquid crystal type spatial light modulator is used.

本変形例においても、メタサーフェス7Aの裏面7bにおいて回折格子パターンを回転させてよい。この場合、360°の全周方向に対して立体的な画像を提示することが可能になる。なお、回折格子パターンの向きの動的な変化は、回折格子パターンの回転に限定されず、或る限られた角度範囲における回動動作であってもよい。 Also in this modification, the diffraction grating pattern may be rotated on the back surface 7b of the metasurface 7A. In this case, it is possible to present a three-dimensional image in the entire circumferential direction of 360 °. The dynamic change in the orientation of the diffraction grating pattern is not limited to the rotation of the diffraction grating pattern, and may be a rotation operation in a limited angle range.

本変形例のように、メタサーフェス7Aは、主面7aと裏面7bとの間に位置する金属膜74と、金属膜74と主面7aとの間に位置する透明導電層751と、透明導電層751と主面7aとの間に位置するナノアンテナとしての金属膜76と、金属膜74と裏面7bとの間に位置し、アドレス光E2の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層73Aと、インピーダンス変化層73Aと裏面7bとの間に位置する透明電極層72と、を有してもよい。上述したように、例えばこのような構成をメタサーフェス7Aが有することにより、メタサーフェス7Aの各画素70において、各画素70の裏面7b側に照射されたアドレス光E2の強度に応じて位相変調量を変化させることができる。 As in this modification, the metasurface 7A has a metal film 74 located between the main surface 7a and the back surface 7b, a transparent conductive layer 751 located between the metal film 74 and the main surface 7a, and transparent conductivity. An impedance located between the metal film 76 as a nanoantenna located between the layer 751 and the main surface 7a and between the metal film 74 and the back surface 7b and expressing an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2. It may have a changing layer 73A and a transparent electrode layer 72 located between the impedance changing layer 73A and the back surface 7b. As described above, for example, by having such a configuration in the meta surface 7A, in each pixel 70 of the meta surface 7A, the phase modulation amount is increased according to the intensity of the address light E2 irradiated on the back surface 7b side of each pixel 70. Can be changed.

本変形例のように、インピーダンス変化層73Aは、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物のうち少なくとも1つを含んでもよい。これらの物質のインピーダンスは、光を受けると変化する。従って、この場合、アドレス光E2の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層73Aを好適に実現することができる。 As in this modification, the impedance change layer 73A may include at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound, an InP-based compound, and a GaAs-based compound. The impedance of these substances changes when exposed to light. Therefore, in this case, the impedance change layer 73A that expresses the impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2 can be suitably realized.

図54は、第7変形例のメタサーフェスの別の構成として、メタサーフェス7Bを示す断面図である。メタサーフェス7Bは、上述したインピーダンス変化層73Aに代えてインピーダンス変化層73Bを有する点でメタサーフェス7Aと相違する。また、メタサーフェス7Bは、メタサーフェス7Aの構成に加えて、透明導電層79を更に有する。 FIG. 54 is a cross-sectional view showing the metasurface 7B as another configuration of the metasurface of the seventh modification. The meta-surface 7B differs from the meta-surface 7A in that it has an impedance-changing layer 73B instead of the impedance-changing layer 73A described above. Further, the metasurface 7B further has a transparent conductive layer 79 in addition to the configuration of the metasurface 7A.

インピーダンス変化層73Bは、金属膜74と透明電極層72との間に位置する。インピーダンス変化層73Bは、アドレス光E2の強度分布に応じて、インピーダンスの分布を発現する。具体的には、インピーダンス変化層73Bを構成する材料のインピーダンスは、光を受けるとその光強度に応じて単調に変化する。そのような材料としては、例えば水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物が挙げられる。従って、本変形例のインピーダンス変化層73Bは、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物(例えばi型GaN)、InP系化合物(例えばi型InP)、及びGaAs系化合物(例えばi型GaAs)のうち少なくとも1つを含んで構成され得る。インピーダンス変化層73Bの厚みは、例えば10nm以上20μm以下である。また、互いに隣り合うインピーダンス変化層73B同士におけるキャリア拡散による電気クロストークを避けるため、隣り合うインピーダンス変化層73Bの間には空隙GAが設けられる。 The impedance change layer 73B is located between the metal film 74 and the transparent electrode layer 72. The impedance change layer 73B develops an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light E2. Specifically, the impedance of the material constituting the impedance changing layer 73B changes monotonically according to the light intensity when receiving light. Examples of such a material include hydrogenated amorphous silicon, GaN-based compounds, InP-based compounds, and GaAs-based compounds. Therefore, the impedance change layer 73B of this modification is at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound (for example, i-type GaN), an InP-based compound (for example, i-type InP), and a GaAs-based compound (for example, i-type GaAs). It may be configured to include one. The thickness of the impedance changing layer 73B is, for example, 10 nm or more and 20 μm or less. Further, in order to avoid electrical crosstalk due to carrier diffusion between the impedance changing layers 73B adjacent to each other, a gap GA is provided between the impedance changing layers 73B adjacent to each other.

アドレス光E2が裏面3b側に照射されると、当該部分のインピーダンスが局所的に低下する。従って、インピーダンス変化層73Bのインピーダンス分布は、アドレス光E2の強度分布に応じた分布となる。インピーダンス変化層73Bのインピーダンスが小さくなった画素70では、透明導電層751に与えられる電圧が大きくなり、透明導電層751に強い電界が印加される。また、インピーダンス変化層73Bのインピーダンスが大きい状態に維持された画素では、インピーダンス変化層73Bのインピーダンスが透明導電層751のインピーダンスと比べて大きいので、透明導電層751に与えられる電圧が小さく、透明導電層751に弱い電界が印加される(或いは、電界が全く印加されない)。なお、アドレス光E2は、金属膜74により遮られて積層構造体75には達しない。 When the address light E2 is applied to the back surface 3b side, the impedance of the portion is locally lowered. Therefore, the impedance distribution of the impedance change layer 73B is a distribution corresponding to the intensity distribution of the address light E2. In the pixel 70 in which the impedance of the impedance changing layer 73B is reduced, the voltage applied to the transparent conductive layer 751 is increased, and a strong electric field is applied to the transparent conductive layer 751. Further, in the pixel in which the impedance of the impedance changing layer 73B is maintained in a large state, the impedance of the impedance changing layer 73B is larger than the impedance of the transparent conductive layer 751, so that the voltage applied to the transparent conductive layer 751 is small and the transparent conductive layer 751 is transparent. A weak electric field is applied to layer 751 (or no electric field is applied at all). The address light E2 is blocked by the metal film 74 and does not reach the laminated structure 75.

透明導電層79は、透明基板77と同様に光透過性を有し、且つ、導電性を有する。透明導電層79は、光E1を透過する。透明導電層79の構成材料は、例えば例えばITO、酸化亜鉛系の導電材料(AZO、GZO)のうち少なくとも1つを含む。透明導電層79の厚みは、例えば1nm以上1μm以下である。透明導電層79は、画素毎に分割されておらず、主面71a上の全面にわたって一体に設けられている。透明導電層79は、金属膜76と透明基板77との間に介在しており、金属膜76と電気的に接続されている。一例では、透明導電層79は金属膜76に接する。交流電圧源78は、透明電極層72と透明導電層79との間に電気的に接続され、透明電極層72と透明導電層79との間に交流電圧を印加する。 The transparent conductive layer 79 has light transmission and conductivity like the transparent substrate 77. The transparent conductive layer 79 transmits light E1. The constituent material of the transparent conductive layer 79 includes, for example, ITO, at least one of zinc oxide-based conductive materials (AZO, GZO). The thickness of the transparent conductive layer 79 is, for example, 1 nm or more and 1 μm or less. The transparent conductive layer 79 is not divided for each pixel, but is integrally provided over the entire surface of the main surface 71a. The transparent conductive layer 79 is interposed between the metal film 76 and the transparent substrate 77, and is electrically connected to the metal film 76. In one example, the transparent conductive layer 79 is in contact with the metal film 76. The AC voltage source 78 is electrically connected between the transparent electrode layer 72 and the transparent conductive layer 79, and applies an AC voltage between the transparent electrode layer 72 and the transparent conductive layer 79.

以上に説明した構成を有するメタサーフェス7Bであっても、前述したメタサーフェス7Aと同様の効果を奏することができる。なお、図示例のように、透明電極層72、インピーダンス変化層73B、及び積層構造体75は、画素70毎に分割され、分割された各部分は空隙GAを介して互いに離れていてもよい。これにより、隣接画素間の電気的クロストークを抑制することができる。 Even the meta-surface 7B having the configuration described above can have the same effect as the above-mentioned meta-surface 7A. As shown in the illustrated example, the transparent electrode layer 72, the impedance changing layer 73B, and the laminated structure 75 are divided into pixels 70, and the divided portions may be separated from each other via the gap GA. This makes it possible to suppress electrical crosstalk between adjacent pixels.

本発明による画像出力装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、空間光変調器として、上記実施形態では液晶型の空間光変調器3を例示し、第7変形例ではメタサーフェス7A,7Bを例示したが、本発明に適用される空間光変調器はこれらに限られず、他に様々な構成のものを適用可能である。また、アドレス光照射部及び画像照射部の構成も上記実施形態及び各変形例に限られず、他に様々な構成のものを適用可能である。 The image output device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, as the spatial light modulator, the liquid crystal type spatial light modulator 3 is exemplified in the above embodiment, and the metasurfaces 7A and 7B are exemplified in the seventh modification, but the spatial light modulator applied to the present invention is. Not limited to these, various other configurations can be applied. Further, the configurations of the address light irradiation unit and the image irradiation unit are not limited to the above-described embodiment and each modification, and various other configurations can be applied.

1A…画像出力装置、2A…高速プロジェクタ、2B…マイクロLEDパネル、2C〜2E…高速プロジェクタ、3…空間光変調器、4A〜4F…アドレス光照射部、7A,7B…メタサーフェス、11…交流電圧源、15…フィルタ、16…レンズ、21…波長合成部、30…画素、31…透明基板、32…透明電極層、33…インピーダンス変化層、34…誘電体ミラー、35…液晶配向膜、36…液晶層、36a…ネマティック液晶、37…透明電極層、38…透明基板、39…紫外線硬化樹脂、39a…隔壁、41…発光装置、42…発光部、42a…発光面、42b,42c…発光領域、43…光学系、44…光学部材、44a…凹面鏡、45…結像レンズ、46…発光装置、46a…主面、46b…発光部、46c…発光領域、46d…要素電極、46e…裏面、46f…導電膜、46g…発光領域、46h…周期構造、47…光学系、48…光学部材、48a…反射鏡、49…発光装置、50…面発光レーザ素子アレイ、50a…発光面、52…面発光レーザ素子、53…半導体基板、60…半導体積層、61…クラッド層、62…活性層、63…クラッド層、64…コンタクト層、65A,65B…位相変調層、65a…基本層、65b…異屈折率領域、66…金属電極膜、70…画素、71…透明基板、72…透明電極層、73A,73B…インピーダンス変化層、74…金属膜、75…積層構造体、76…金属膜、77…透明基板、78…交流電圧源、79…透明導電層、80…遮光パターン、81…遮光領域、301…スペーサ、401…回転駆動部、402…回転軸、403…レーザ光源、404…ビームエキスパンダ、405…偏光ビームスプリッタ、406…半波長板、407…反射鏡、408…傾斜鏡、409…回転駆動部、410…回転軸、751…透明導電層、752…誘電体層、A…観察者、Aa…眼、B1〜B3…波面、D…直線、D1…第1方向、D2…第2方向、Da…法線方向、Db…光出射方向、E1…光、E2…アドレス光、E2a〜E2c…領域、E3,E31,E32…レーザ光、Fa〜Fc…領域、FR…画像領域、G…重心、GA…空隙、O…格子点、P〜P…領域、PU…ユニット、Q…中心、R…単位構成領域、α…傾斜角、θ,θ…回折角、θrot…回転角、θtilt…傾き角。 1A ... image output device, 2A ... high-speed projector, 2B ... micro LED panel, 2C-2E ... high-speed projector, 3 ... spatial light modulator, 4A-4F ... address light irradiation unit, 7A, 7B ... metasurface, 11 ... AC Voltage source, 15 ... filter, 16 ... lens, 21 ... wavelength synthesizer, 30 ... pixel, 31 ... transparent substrate, 32 ... transparent electrode layer, 33 ... impedance change layer, 34 ... dielectric mirror, 35 ... liquid crystal alignment film, 36 ... liquid crystal layer, 36a ... nematic liquid crystal, 37 ... transparent electrode layer, 38 ... transparent substrate, 39 ... ultraviolet curable resin, 39a ... partition wall, 41 ... light emitting device, 42 ... light emitting part, 42a ... light emitting surface, 42b, 42c ... Light emitting region, 43 ... Optical system, 44 ... Optical member, 44a ... Concave mirror, 45 ... Imaging lens, 46 ... Light emitting device, 46a ... Main surface, 46b ... Light emitting part, 46c ... Light emitting region, 46d ... Element electrode, 46e ... Back surface, 46f ... conductive film, 46g ... light emitting region, 46h ... periodic structure, 47 ... optical system, 48 ... optical member, 48a ... reflecting mirror, 49 ... light emitting device, 50 ... surface emitting laser element array, 50a ... light emitting surface, 52 ... Surface emitting laser element, 53 ... Semiconductor substrate, 60 ... Semiconductor laminate, 61 ... Clad layer, 62 ... Active layer, 63 ... Clad layer, 64 ... Contact layer, 65A, 65B ... Phase modulation layer, 65a ... Basic layer, 65b ... Different refractive index region, 66 ... Metal electrode film, 70 ... Pixels, 71 ... Transparent substrate, 72 ... Transparent electrode layer, 73A, 73B ... Impedance change layer, 74 ... Metal film, 75 ... Laminated structure, 76 ... Metal Film, 77 ... transparent substrate, 78 ... AC voltage source, 79 ... transparent conductive layer, 80 ... light-shielding pattern, 81 ... light-shielding region, 301 ... spacer, 401 ... rotation drive unit, 402 ... rotation axis, 403 ... laser light source, 404 ... Beam expander, 405 ... Polarized beam splitter, 406 ... Half-wave plate, 407 ... Reflector, 408 ... Tilt mirror, 409 ... Rotational drive, 410 ... Rotation axis, 751 ... Transparent conductive layer, 752 ... Dielectric layer, A ... Observer, Aa ... Eye, B1-B3 ... Wave surface, D ... Straight line, D1 ... First direction, D2 ... Second direction, Da ... Normal direction, Db ... Light emission direction, E1 ... Optics, E2 ... Address light, E2a~E2c ... area, E3, E31, E32 ... laser light, Fa~Fc ... area, FR ... image area, G ... centroid, GA ... void, O ... grid points, P 1 ~P 4 ... region, PU ... Unit, Q ... Center, R ... Unit constituent area, α ... Tilt angle, θ, θ B ... Diffraction angle, θ rot ... Rotation angle, θ tilt ... Tilt angle.

Claims (18)

主面および裏面を有し、主面に照射された光を反射するとともに、二次元状に配列された複数の画素毎に前記光の位相を変調する空間光変調器と、
前記主面に対して二次元光像を照射する画像照射部と、
前記裏面に対して回折格子パターンを含むアドレス光を照射するアドレス光照射部と、
を備え、
前記空間光変調器の各画素は、各画素の裏面側から照射された前記アドレス光の強度に応じて位相変調量を変化させる構成を有し、
前記アドレス光照射部は、前記裏面における前記回折格子パターンの向きを動的に変化させ、
前記画像照射部は、前記回折格子パターンの向きに対応する前記二次元光像を前記主面に照射する、画像出力装置。
A spatial light modulator that has a main surface and a back surface, reflects the light radiated to the main surface, and modulates the phase of the light for each of a plurality of pixels arranged in a two-dimensional manner.
An image irradiation unit that irradiates the main surface with a two-dimensional light image,
An address light irradiation unit that irradiates the back surface with address light including a diffraction grating pattern,
Equipped with
Each pixel of the spatial light modulator has a configuration in which the phase modulation amount is changed according to the intensity of the address light emitted from the back surface side of each pixel.
The address light irradiation unit dynamically changes the direction of the diffraction grating pattern on the back surface.
The image irradiation unit is an image output device that irradiates the main surface with the two-dimensional light image corresponding to the direction of the diffraction grating pattern.
前記アドレス光照射部は、前記裏面において前記回折格子パターンを回転させる、請求項1に記載の画像出力装置。 The image output device according to claim 1, wherein the address light irradiation unit rotates the diffraction grating pattern on the back surface. 前記空間光変調器は、
前記主面と前記裏面との間に位置する光反射層と、
前記光反射層と前記主面との間に位置する液晶層と、
前記液晶層と前記主面との間に位置する光透過性の第1電極層と、
前記光反射層と前記裏面との間に位置し、前記アドレス光の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層と、
前記インピーダンス変化層と前記裏面との間に位置する光透過性の第2電極層と、
を有し、
前記液晶層は、液晶を前記画素毎に区画する隔壁を有する、請求項1又は2に記載の画像出力装置。
The spatial light modulator
A light reflecting layer located between the main surface and the back surface,
A liquid crystal layer located between the light reflecting layer and the main surface,
A light-transmitting first electrode layer located between the liquid crystal layer and the main surface,
An impedance changing layer located between the light reflecting layer and the back surface and exhibiting an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light.
A light-transmitting second electrode layer located between the impedance change layer and the back surface,
Have,
The image output device according to claim 1 or 2, wherein the liquid crystal layer has a partition wall for partitioning the liquid crystal for each pixel.
前記隔壁は、前記主面に沿った第1方向と、前記主面に沿っており前記第1方向と直交する第2方向とに延在し、
前記第2方向に延在する前記隔壁同士のピッチは、前記第1方向に延在する前記隔壁同士のピッチよりも大きい、請求項3に記載の画像出力装置。
The partition wall extends in a first direction along the main surface and in a second direction along the main surface and orthogonal to the first direction.
The image output device according to claim 3, wherein the pitch between the partition walls extending in the second direction is larger than the pitch between the partition walls extending in the first direction.
前記第2方向に延在する前記隔壁同士のピッチは、前記第1方向に延在する前記隔壁同士のピッチの2倍以上である、請求項4に記載の画像出力装置。 The image output device according to claim 4, wherein the pitch between the partition walls extending in the second direction is at least twice the pitch between the partition walls extending in the first direction. 前記隔壁は、前記主面に沿った第1方向と、前記主面に沿っており前記第1方向と直交する第2方向とに延在し、
前記第1方向に延在する前記隔壁同士のピッチ、及び前記第2方向に延在する前記隔壁同士のピッチは何れも5μm以下である、請求項3に記載の画像出力装置。
The partition wall extends in a first direction along the main surface and in a second direction along the main surface and orthogonal to the first direction.
The image output device according to claim 3, wherein the pitch between the partition walls extending in the first direction and the pitch between the partition walls extending in the second direction are both 5 μm or less.
前記インピーダンス変化層は、水素化アモルファスシリコン、GaN系化合物、InP系化合物、及びGaAs系化合物のうち少なくとも1つを含む、請求項3〜6のいずれか1項に記載の画像出力装置。 The image output device according to any one of claims 3 to 6, wherein the impedance changing layer contains at least one of hydrogenated amorphous silicon, a GaN-based compound, an InP-based compound, and a GaAs-based compound. 前記空間光変調器は、
透明導電層及び誘電体層を有し、一方の面に前記二次元光像が入力される積層構造体と、
前記積層構造体の前記一方の面に設けられた第1金属膜と、
前記一方の面と対向する前記積層構造体の他方の面に設けられ、前記積層構造体に入力された前記二次元光像を前記一方の面に向けて反射する第2金属膜と、
前記積層構造体との間に前記第2金属膜を挟む位置に設けられ、前記アドレス光の強度分布に応じてインピーダンスの分布を発現するインピーダンス変化層と、
前記第2金属膜との間に前記インピーダンス変化層を挟む位置に設けられた光透過性の電極層と、
を備え、
前記複数の画素それぞれにおいて、前記積層構造体は、積層方向から見て前記第1金属膜を挟む一対の位置にそれぞれ設けられ前記第1金属膜から露出する一対の部分を含み、
前記第1金属膜及び前記第2金属膜は、前記画素毎に設けられ互いに分離された複数の部分金属膜を含む、請求項1又は2に記載の画像出力装置。
The spatial light modulator
A laminated structure having a transparent conductive layer and a dielectric layer into which the two-dimensional optical image is input to one surface.
A first metal film provided on one surface of the laminated structure and
A second metal film provided on the other surface of the laminated structure facing the one surface and reflecting the two-dimensional optical image input to the laminated structure toward the one surface.
An impedance changing layer provided at a position sandwiching the second metal film between the laminated structure and expressing an impedance distribution according to the intensity distribution of the address light.
A light-transmitting electrode layer provided at a position sandwiching the impedance changing layer between the second metal film and the light-transmitting electrode layer.
Equipped with
In each of the plurality of pixels, the laminated structure includes a pair of portions provided at a pair of positions sandwiching the first metal film when viewed from the stacking direction and exposed from the first metal film.
The image output device according to claim 1 or 2, wherein the first metal film and the second metal film include a plurality of partially metal films provided for each pixel and separated from each other.
前記アドレス光照射部は、
前記回折格子パターンを含む前記アドレス光を出力する発光部と、
前記発光部の光軸周りの姿勢角を動的に変化させる駆動部と、
を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The address light irradiation unit is
A light emitting unit that outputs the address light including the diffraction grating pattern, and
A drive unit that dynamically changes the attitude angle of the light emitting unit around the optical axis,
The image output device according to any one of claims 1 to 8.
前記アドレス光照射部は、
円周に沿って並んで配列され、前記回折格子パターンを含む前記アドレス光をそれぞれ出力可能な複数の発光部と、
前記複数の発光部と前記裏面とを光学的に結合する光学系と、
を有し、
前記複数の発光部の中から選択された、前記回折格子パターンの向きに対応する一部の前記発光部からの前記アドレス光を前記裏面に入力する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The address light irradiation unit is
A plurality of light emitting units arranged side by side along the circumference and capable of outputting the address light including the diffraction grating pattern, respectively.
An optical system that optically couples the plurality of light emitting portions and the back surface thereof,
Have,
In any one of claims 1 to 8, the address light from a part of the light emitting units corresponding to the direction of the diffraction grating pattern selected from the plurality of light emitting units is input to the back surface. The image output device described.
前記光学系はメタレンズを含む、請求項10に記載の画像出力装置。 The image output device according to claim 10, wherein the optical system includes a metal lens. 前記アドレス光照射部は、
円周に沿って設けられ、前記円周の径方向を周期方向とする前記回折格子パターンを含む前記アドレス光を出力する発光部を有し、
前記発光部は、前記円周の周方向に並んで配置され、前記回折格子パターンの向きに対応する部分において前記アドレス光を選択的に発光させる複数の要素電極を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The address light irradiation unit is
It has a light emitting unit which is provided along the circumference and outputs the address light including the diffraction grating pattern whose periodic direction is the radial direction of the circumference.
15. The image output device according to any one of the following items.
前記発光部は、前記回折格子パターンに基づいて配列された複数の発光領域を含む、請求項9〜12のいずれか1項に記載の画像出力装置。 The image output device according to any one of claims 9 to 12, wherein the light emitting unit includes a plurality of light emitting regions arranged based on the diffraction grating pattern. 前記発光部は、活性層及び位相変調層を有する面発光レーザ素子を含み、
前記位相変調層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記位相変調層の厚み方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、
前記位相変調層の前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、格子点周りの回転角度が各異屈折率領域毎に個別に設定されているか、または、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置されるとともに、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定されている、請求項9〜12のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The light emitting unit includes a surface emitting laser element having an active layer and a phase modulation layer.
The phase modulation layer includes a basic layer and a plurality of different refractive index regions distributed in a two-dimensional manner in a plane perpendicular to the thickness direction of the phase modulation layer, which has a refractive index different from that of the basic layer.
When a virtual square grid is set in the plane of the phase modulation layer, the centers of gravity of the plurality of different refractive index regions are arranged apart from the grid points of the virtual square grid, and the grid points are arranged. The surrounding rotation angle is set individually for each different refractive index region, or the center of gravity of the plurality of different refractive index regions passes through the grid points of the virtual square grid and is tilted with respect to the square grid. One of claims 9 to 12, which is arranged on a straight line and the distance between the center of gravity of each different refractive index region and the corresponding lattice point is individually set for each different refractive index region. The image output device described in.
前記発光部は、
活性層及びフォトニック結晶層を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子と、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子の光出射面上に設けられ、前記回折格子パターンに応じて開口部及び遮光部を周期的に繰り返す周期構造と、
を有する、請求項9〜12のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The light emitting part is
A photonic crystal surface emitting laser device having an active layer and a photonic crystal layer,
A periodic structure provided on the light emitting surface of the photonic crystal surface emitting laser element and periodically repeating an opening and a light-shielding portion according to the diffraction grating pattern.
The image output device according to any one of claims 9 to 12, wherein the image output device has.
前記アドレス光照射部は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光を分岐する分岐部と、
前記分岐部により分岐された一方のレーザ光と他方のレーザ光とを干渉させて干渉縞を生成する干渉光学系と、
を有し、
前記干渉光学系は、前記一方のレーザ光と前記他方のレーザ光との干渉時の相対位置関係を動的に変化させる位置変化部を含み、
前記干渉縞が前記回折格子パターンとして用いられる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The address light irradiation unit is
Laser light source and
A branch portion that branches the laser beam output from the laser light source, and a branch portion.
An interference optical system that generates interference fringes by interfering one laser beam branched by the branch portion with the other laser beam.
Have,
The interference optical system includes a position changing portion that dynamically changes the relative positional relationship at the time of interference between the one laser beam and the other laser beam.
The image output device according to any one of claims 1 to 8, wherein the interference fringes are used as the diffraction grating pattern.
前記回折格子パターンは、光強度が或る方向に周期的に変化する構成を有し、各周期内において光強度は段階的に且つ単調に強くなるか或いは弱くなり、
各周期内における光強度が互いに異なる領域の数は3以上である、請求項1〜15のいずれか1項に記載の画像出力装置。
The diffraction grating pattern has a structure in which the light intensity changes periodically in a certain direction, and the light intensity gradually and monotonically increases or decreases in each period.
The image output device according to any one of claims 1 to 15, wherein the number of regions having different light intensities in each cycle is 3 or more.
前記画像照射部と前記空間光変調器との間に配置され、前記二次元光像に含まれる、可視光を除く他の波長成分のうち少なくとも一部の波長成分の強度を低減するフィルタを更に備える、請求項1〜17のいずれか1項に記載の画像出力装置。 Further, a filter arranged between the image irradiation unit and the spatial light modulator to reduce the intensity of at least a part of the wavelength components other than visible light contained in the two-dimensional light image is further provided. The image output device according to any one of claims 1 to 17.
JP2020104562A 2020-06-17 2020-06-17 Image Output Device Active JP7474126B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020104562A JP7474126B2 (en) 2020-06-17 2020-06-17 Image Output Device
US17/347,633 US12124215B2 (en) 2020-06-17 2021-06-15 Image output device
CN202110667871.9A CN113810671A (en) 2020-06-17 2021-06-16 image output device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020104562A JP7474126B2 (en) 2020-06-17 2020-06-17 Image Output Device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021196553A true JP2021196553A (en) 2021-12-27
JP7474126B2 JP7474126B2 (en) 2024-04-24

Family

ID=78942692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020104562A Active JP7474126B2 (en) 2020-06-17 2020-06-17 Image Output Device

Country Status (3)

Country Link
US (1) US12124215B2 (en)
JP (1) JP7474126B2 (en)
CN (1) CN113810671A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7440466B2 (en) 2021-08-27 2024-02-28 Necプラットフォームズ株式会社 Projection device, projection control method, and program
WO2025037445A1 (en) * 2023-08-14 2025-02-20 浜松ホトニクス株式会社 Optical modulation device, optical observation device, and light irradiation device

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3740735A4 (en) 2018-01-16 2021-11-24 Pacific Light&Hologram, Inc. THREE DIMENSIONAL DISPLAYS USING ELECTROMAGNETIC FIELDS CALCULATIONS
WO2022032074A1 (en) * 2020-08-07 2022-02-10 The Regents Of The University Of California Simple in-line digital holography system for measuring 3d cell shape
US11360431B2 (en) 2020-09-17 2022-06-14 Pacific Light & Hologram, Inc. Reconstructing objects with display zero order light suppression
US12300132B2 (en) 2023-05-12 2025-05-13 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12254798B2 (en) 2023-05-12 2025-03-18 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12266280B2 (en) 2023-05-12 2025-04-01 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12254797B2 (en) 2023-05-12 2025-03-18 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying live scenes including three-dimensional objects
US12230176B2 (en) 2023-05-12 2025-02-18 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US11900842B1 (en) 2023-05-12 2024-02-13 Pacific Light & Hologram, Inc. Irregular devices
US12288490B2 (en) 2023-05-12 2025-04-29 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12236816B2 (en) 2023-05-12 2025-02-25 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying live scenes including three-dimensional objects
US12266279B2 (en) 2023-05-12 2025-04-01 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects with optical devices having in-coupling and out-coupling diffractive structures
US12272279B2 (en) 2023-05-12 2025-04-08 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12315403B2 (en) 2023-05-12 2025-05-27 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12243453B2 (en) 2023-05-12 2025-03-04 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying three-dimensional objects
US12293687B2 (en) 2023-05-12 2025-05-06 Pacific Light & Hologram, Inc. Holographically displaying live scenes including three-dimensional objects
US12281984B1 (en) 2023-12-21 2025-04-22 Pacific Light & Hologram, Inc. Optical measurements

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04123019A (en) * 1990-09-14 1992-04-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Spatial optical modulating element, driving method for the same, and neural network circuit
JPH06265930A (en) * 1993-03-12 1994-09-22 Hamamatsu Photonics Kk Spatial light modulator
JP2000171824A (en) * 1998-12-04 2000-06-23 Hamamatsu Photonics Kk Spatial light modulating device
JP2005520184A (en) * 2001-12-19 2005-07-07 アクチュアリティ・システムズ・インコーポレーテッド Radiation conditioning system
US20140204185A1 (en) * 2011-08-24 2014-07-24 Zhejiang University Multi-pitching angle suspended 3d display device with 360-degree field of view
JP2019200251A (en) * 2018-05-15 2019-11-21 浜松ホトニクス株式会社 Reflection type kinetic meta surface
JP2019201065A (en) * 2018-05-15 2019-11-21 浜松ホトニクス株式会社 Light-emitting device

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2325056A (en) * 1997-05-09 1998-11-11 Sharp Kk Polarisation independent optical phase modulator
JP2000010058A (en) * 1998-06-18 2000-01-14 Hamamatsu Photonics Kk Spatial light modulating device
TWI227808B (en) * 2002-12-02 2005-02-11 Sony Corp 3-D image display unit
CN100462775C (en) * 2005-06-27 2009-02-18 索尼株式会社 3D image display device
EP2446326A2 (en) * 2009-06-23 2012-05-02 SeeReal Technologies S.A. Light modulation device for a display for representing two- and/or three-dimensional image content, comprising variable diffraction elements based on linear, parallel electrodes
JP5943273B2 (en) * 2012-03-30 2016-07-05 国立研究開発法人情報通信研究機構 3D display
JP2013218140A (en) * 2012-04-10 2013-10-24 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Spatial light modulator and hologram display device
CN102854630B (en) * 2012-09-27 2015-07-15 李志扬 Three-dimensional display device based on constructive interferences
JP6213293B2 (en) * 2014-02-18 2017-10-18 ソニー株式会社 Semiconductor laser device assembly
CN109557666B (en) * 2017-09-27 2023-05-23 北京翠鸟视觉科技有限公司 Near-eye optical imaging system, near-eye display device and head-mounted display device

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04123019A (en) * 1990-09-14 1992-04-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd Spatial optical modulating element, driving method for the same, and neural network circuit
JPH06265930A (en) * 1993-03-12 1994-09-22 Hamamatsu Photonics Kk Spatial light modulator
JP2000171824A (en) * 1998-12-04 2000-06-23 Hamamatsu Photonics Kk Spatial light modulating device
JP2005520184A (en) * 2001-12-19 2005-07-07 アクチュアリティ・システムズ・インコーポレーテッド Radiation conditioning system
US20140204185A1 (en) * 2011-08-24 2014-07-24 Zhejiang University Multi-pitching angle suspended 3d display device with 360-degree field of view
JP2019200251A (en) * 2018-05-15 2019-11-21 浜松ホトニクス株式会社 Reflection type kinetic meta surface
JP2019201065A (en) * 2018-05-15 2019-11-21 浜松ホトニクス株式会社 Light-emitting device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7440466B2 (en) 2021-08-27 2024-02-28 Necプラットフォームズ株式会社 Projection device, projection control method, and program
WO2025037445A1 (en) * 2023-08-14 2025-02-20 浜松ホトニクス株式会社 Optical modulation device, optical observation device, and light irradiation device

Also Published As

Publication number Publication date
US12124215B2 (en) 2024-10-22
CN113810671A (en) 2021-12-17
JP7474126B2 (en) 2024-04-24
US20210397128A1 (en) 2021-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7474126B2 (en) Image Output Device
US11487131B2 (en) Laser despeckler based on angular diversity
JP6895451B2 (en) Methods and Devices for Providing Polarized Selective Holography Waveguide Devices
JP6250535B2 (en) Method and apparatus for stacking thin volume grating stacks and beam combiner for holographic display
US11543774B2 (en) Out-of-plane computer-generated multicolor waveguide holography
US20170068214A1 (en) Plasmonic multicolor meta-hologram
TWI421541B (en) Full image display device and method (2)
JP2011501824A (en) Spatial light modulator using electrowetting cell
JP2010507826A (en) Holographic display device including magneto-optical spatial light modulator
WO2021241701A1 (en) Optical device and light-emitting device
CN110546564B (en) Light emitting device
US12197091B2 (en) Liquid crystal spatial light modulator and three-dimensional display device
US12124216B2 (en) Beam expanding film and holographic display apparatus including the same
TWI403815B (en) Controllable light modulator
US11747625B2 (en) Light combiner and augmented reality device including the same
JP6434892B2 (en) Optical input / output device and output light control method in optical input / output device
US12158581B1 (en) Optical systems with holographic elements for producing uniform images
JP5846770B2 (en) Electrode structure of liquid crystal display panel and hologram recording apparatus
EP4224256A1 (en) Complex light modulator, holographic display device, and see-through display device
KR20220115620A (en) Light modulator with high light efficiency
CN118276213A (en) Apparatus for projecting an image formed by a screen
CN118276214A (en) Device for projecting images formed by a screen
JP2008151863A (en) Three-dimensional image display device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230116

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230830

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230912

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20231110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240111

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240402

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240412

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7474126

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150